El ARN, o ácido ribonucleico, es uno de los dos ácidos nucleicos que se encuentran en la naturaleza. El otro, el ácido desoxirribonucleico (ADN), ciertamente está más fijo en la imaginación. Incluso las personas con poco interés en la ciencia tienen la sospecha de que el ADN es vital en la transmisión de rasgos de una persona. generación tras generación, y que el ADN de cada ser humano es único (y, por lo tanto, es una mala idea dejarlo en un crimen escena). Pero a pesar de la notoriedad del ADN, el ARN es una molécula más versátil, que se presenta en tres formas principales: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt).
El trabajo del ARNm depende en gran medida de los otros dos tipos, y el ARNm se encuentra directamente en el centro del llamado dogma central de la biología molecular (el ADN engendra ARN, que a su vez engendra proteínas).
Ácidos nucleicos: una descripción general
El ADN y el ARN son ácidos nucleicos, lo que significa que son macromoléculas poliméricas, cuyos constituyentes monoméricos se denominan nucleótidos. Los nucleótidos constan de tres porciones distintas: un azúcar pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada, seleccionados entre cuatro opciones. Un azúcar pentosa es un azúcar que incluye una estructura de anillo de cinco átomos.
Tres diferencias principales distinguen al ADN del ARN. Primero, en el ARN, la porción de azúcar del nucleótido es ribosa, mientras que en el ADN es desoxirribosa, que es simplemente ribosa. con un grupo hidroxilo (-OH) eliminado de uno de los carbonos en el anillo de cinco átomos y reemplazado por un átomo de hidrógeno (-H). Por lo tanto, la porción de azúcar del ADN es solo un átomo de oxígeno menos masivo que el ARN, pero el ARN es una molécula mucho más reactiva químicamente que el ADN debido a su grupo -OH adicional. En segundo lugar, el ADN es, de manera bastante famosa, de doble hebra y enrollado en forma helicoidal en su forma más estable. El ARN, por otro lado, es monocatenario. Y tercero, mientras que el ADN y el ARN presentan las bases nitrogenadas adenina (A), citosina (C) y guanina (G), la cuarta base de este tipo en el ADN es timina (T) mientras que en el ARN es uracilo (U).
Debido a que el ADN es de doble hebra, los científicos han sabido desde mediados de la década de 1900 que estas bases nitrogenadas se emparejan con y solo con otro tipo de base; A se empareja con T y C se empareja con G. Además, A y G se clasifican químicamente como purinas, mientras que C y T se denominan pirimidinas. Debido a que las purinas son sustancialmente más grandes que las pirimidinas, un emparejamiento A-G sería demasiado voluminoso, mientras que un emparejamiento C-T tendría un tamaño inusualmente menor; Ambas situaciones serían perjudiciales para las dos hebras del ADN de doble hebra que se encuentran a la misma distancia en todos los puntos a lo largo de las dos hebras.
Debido a este esquema de emparejamiento, las dos cadenas de ADN se denominan "complementarias" y la secuencia de una se puede predecir si se conoce la otra. Por ejemplo, si una cadena de diez nucleótidos en una cadena de ADN tiene la secuencia de bases AAGCGTATTG, la cadena de ADN complementaria tendrá la secuencia de bases TTCGCATAAC. Debido a que el ARN se sintetiza a partir de una plantilla de ADN, esto también tiene implicaciones para la transcripción.
Estructura básica del ARN
El ARNm es la forma más "parecida al ADN" de ácido ribonucleico porque su función es básicamente la misma: transmitir la información codificado en genes, en forma de bases nitrogenadas cuidadosamente ordenadas, a la maquinaria celular que ensambla proteínas. Pero también existen varios tipos vitales de ARN.
La estructura tridimensional del ADN fue aclarada en 1953, lo que le valió a James Watson y Francis Crick un premio Nobel. Pero durante años, la estructura del ARN siguió siendo esquiva a pesar de los esfuerzos de algunos de los mismos expertos en ADN para describirla. En la década de 1960, quedó claro que aunque el ARN es monocatenario, su estructura secundaria, es decir, la relación de la secuencia de nucleótidos entre sí a medida que el ARN se abre paso a través del espacio, lo que implica que las longitudes de ARN pueden plegarse sobre sí mismas, con bases en el mismo hilo, enlazándose así entre sí de la misma manera que un trozo de cinta adhesiva podría adherirse a sí mismo si se lo permite. pliegue. Esta es la base de la estructura cruzada del ARNt, que incluye tres curvas de 180 grados que crean el equivalente molecular de callejones sin salida en la molécula.
El ARNr es algo diferente. Todo el ARNr se deriva de un monstruo de una cadena de ARNr de unos 13.000 nucleótidos de longitud. Después de una serie de modificaciones químicas, esta hebra se escinde en dos subunidades desiguales, una llamada 18S y la otra etiquetada como 28S. ("S" significa "unidad de Svedberg", una medida que los biólogos utilizan para estimar indirectamente la masa de las macromoléculas). La porción 18S se incorpora a lo que es llamada subunidad ribosómica pequeña (que cuando está completa es en realidad 30S) y la parte 28S contribuye a la subunidad grande (que en total tiene un tamaño de 50S); todos los ribosomas contienen una de cada subunidad junto con una serie de proteínas (no ácidos nucleicos, que hacen posibles las proteínas) para proporcionar a los ribosomas integridad estructural.
Las cadenas de ADN y ARN tienen extremos denominados 3 'y 5' ("tres primos" y "cinco primos") según las posiciones de las moléculas unidas a la porción de azúcar de la hebra. En cada nucleótido, el grupo fosfato está unido al átomo de carbono marcado como 5 'en su anillo, mientras que el carbono 3' presenta un grupo hidroxilo (-OH). Cuando se agrega un nucleótido a una cadena de ácido nucleico en crecimiento, esto siempre ocurre en el extremo 3 'de la cadena existente. Es decir, el grupo fosfato en el extremo 5 'del nuevo nucleótido se une al carbono 3' que presenta el grupo hidroxilo antes de que se produzca esta unión. El -OH es reemplazado por el nucleótido, que pierde un protón (H) de su grupo fosfato; así una molécula de H2O, o agua, se pierde en el medio ambiente en este proceso, lo que hace que la síntesis de ARN sea un ejemplo de síntesis por deshidratación.
Transcripción: codificación del mensaje en ARNm
La transcripción es el proceso en el que el ARNm se sintetiza a partir de una plantilla de ADN. En principio, dado lo que sabe ahora, puede imaginarse fácilmente cómo sucede esto. El ADN es de doble hebra, por lo que cada hebra puede servir como molde para el ARN de una sola hebra; estas dos nuevas hebras de ARN, debido a los caprichos del emparejamiento de bases específico, serán complementarias entre sí, no es que se unan entre sí. La transcripción del ARN es muy similar a la replicación del ADN en que se aplican las mismas reglas de emparejamiento de bases, donde U ocupa el lugar de T en el ARN. Tenga en cuenta que este reemplazo es un fenómeno unidireccional: T en el ADN todavía codifica para A en el ARN, pero A en el ADN codifica para U en el ARN.
Para que se produzca la transcripción, la doble hélice del ADN debe desenrollarse, lo que hace bajo la dirección de enzimas específicas. (Más tarde, vuelve a asumir su conformación helicoidal adecuada). Después de que esto suceda, una secuencia específica llamada apropiadamente secuencia promotora indica dónde debe comenzar la transcripción a lo largo de la molécula. Esto convoca a la escena molecular a una enzima llamada ARN polimerasa, que en este momento forma parte de un complejo promotor. Todo esto ocurre como una especie de mecanismo bioquímico a prueba de fallas para evitar que la síntesis de ARN comience en el lugar equivocado del ADN y, por lo tanto, produzca una cadena de ARN que contiene un código ilegítimo. La ARN polimerasa "lee" la cadena de ADN comenzando en la secuencia promotora y se mueve a lo largo de la cadena de ADN, agregando nucleótidos al extremo 3 'del ARN. Tenga en cuenta que las cadenas de ARN y ADN, en virtud de ser complementarias, también son antiparalelas. Esto significa que a medida que el ARN crece en la dirección 3 ', se mueve a lo largo de la hebra de ADN en el extremo 5' del ADN. Este es un punto menor pero a menudo confuso para los estudiantes, por lo que es posible que desee consultar un diagrama para asegurarse de que comprende la mecánica de la síntesis de ARNm.
Los enlaces creados entre los grupos fosfato de un nucleótido y el grupo azúcar del siguiente se denominan enlaces fosfodiéster (pronunciado "fos-pho-die-éster", no "fos-pho-de-ester", ya que puede ser tentador asumir).
La enzima ARN polimerasa se presenta en muchas formas, aunque las bacterias incluyen solo un tipo. Es una enzima grande, que consta de cuatro subunidades de proteínas: alfa (α), beta (β), beta-prima (β ′) y sigma (σ). Combinados, estos tienen un peso molecular de alrededor de 420.000 Dalton. (Como referencia, un solo átomo de carbono tiene un peso molecular de 12; una sola molécula de agua, 18; y una molécula de glucosa completa, 180.) La enzima, llamada holoenzima cuando las cuatro subunidades están presente, es responsable de reconocer las secuencias promotoras en el ADN y separar los dos ADN hebras. La ARN polimerasa se mueve a lo largo del gen que se transcribirá a medida que agrega nucleótidos al segmento de ARN en crecimiento, un proceso llamado alargamiento. Este proceso, como muchos dentro de las células, requiere trifosfato de adenosina (ATP) como fuente de energía. El ATP no es más que un nucleótido que contiene adenina y que tiene tres fosfatos en lugar de uno.
La transcripción cesa cuando la ARN polimerasa en movimiento encuentra una secuencia de terminación en el ADN. Así como la secuencia promotora puede verse como el equivalente a una luz verde en un semáforo, la secuencia de terminación es análoga a una luz roja o una señal de alto.
Traducción: Decodificación del mensaje del ARNm
Cuando una molécula de ARNm que lleva la información de una proteína en particular, es decir, un fragmento de ARNm correspondiente a un gen, está completa, todavía necesita ser procesado antes de que esté listo para hacer su trabajo de entregar un modelo químico a los ribosomas, donde la síntesis de proteínas lleva lugar. En los organismos eucariotas, también migra fuera del núcleo (los procariotas no tienen núcleo).
Críticamente, las bases nitrogenadas transportan información genética en grupos de tres, llamados codones tripletes. Cada codón lleva instrucciones para agregar un aminoácido particular a una proteína en crecimiento. Así como los nucleótidos son las unidades monoméricas de los ácidos nucleicos, los aminoácidos son los monómeros de las proteínas. Debido a que el ARN contiene cuatro nucleótidos diferentes (debido a las cuatro bases diferentes disponibles) y un codón consta de tres nucleótidos consecutivos, hay 64 codones tripletes disponibles en total (43 = 64). Es decir, comenzando con AAA, AAC, AAG, AAU y trabajando hasta UUU, hay 64 combinaciones. Sin embargo, los seres humanos solo utilizan 20 aminoácidos. Como resultado, se dice que el código de tripletes es redundante: en la mayoría de los casos, múltiples tripletes codifican el mismo aminoácido. Lo contrario no es cierto, es decir, el mismo triplete no puede codificar más de un aminoácido. Probablemente puedas imaginar el caos bioquímico que se produciría de otra manera. De hecho, los aminoácidos leucina, arginina y serina tienen cada uno seis tripletes correspondientes. Tres codones diferentes son codones STOP, similares a las secuencias de terminación de la transcripción en el ADN.
La traducción en sí es un proceso muy cooperativo que reúne a todos los miembros de la familia de ARN ampliada. Debido a que ocurre en los ribosomas, obviamente implica el uso de ARNr. Las moléculas de ARNt, descritas anteriormente como pequeños cruces, son responsables de transportar aminoácidos individuales a el sitio de traducción en el ribosoma, con cada aminoácido transportado por su propia marca específica de ARNt escolta. Al igual que la transcripción, la traducción tiene fases de iniciación, alargamiento y terminación, y al final de la síntesis de una molécula de proteína, la la proteína se libera del ribosoma y se empaqueta en los cuerpos de Golgi para su uso en otros lugares, y el ribosoma en sí se disocia en su componente subunidades.
