ARN-ul sau acidul ribonucleic este unul dintre cei doi acizi nucleici care se găsesc în natură. Celălalt, acidul dezoxiribonucleic (ADN), este cu siguranță mai fixat în imaginație. Chiar și persoanele cu puțin interes pentru știință au impresia că ADN-ul este vital în transmiterea trăsăturilor de la una generația următoare și că ADN-ul fiecărei ființe umane este unic (și, prin urmare, este o idee proastă de a lăsa o crimă scenă). Dar pentru toată notorietatea ADN-ului, ARN-ul este o moleculă mai versatilă, care se prezintă în trei forme majore: ARN mesager (ARNm), ARN ribozomal (ARNr) și ARN de transfer (ARNt).
Sarcina ARNm se bazează în mare măsură pe celelalte două tipuri, iar ARNm se află direct în centrul așa-numitei dogme centrale a biologiei moleculare (ADN generează ARN, care la rândul său generează proteine).
Acizii nucleici: o prezentare generală
ADN-ul și ARN-ul sunt acizi nucleici, ceea ce înseamnă că sunt macromolecule polimerice, ai căror constituenți monomerici se numesc nucleotide. Nucleotidele constau din trei porțiuni distincte: un zahăr pentozat, o grupare fosfat și o bază azotată, selectate dintre patru opțiuni. Un zahăr pentoză este un zahăr care include o structură inelară cu cinci atomi.
Trei diferențe majore disting ADN-ul de ARN. Mai întâi, în ARN, porțiunea de zahăr a nucleotidei este riboza, în timp ce în ADN este dezoxiriboză, care este pur și simplu riboză cu o grupare hidroxil (-OH) îndepărtată de la unul dintre carbonii din inelul cu cinci atomi și înlocuită cu un atom de hidrogen (-H). Astfel, porțiunea de zahăr din ADN este doar un atom de oxigen mai puțin masiv decât ARN, dar ARN este o moleculă mult mai reactivă din punct de vedere chimic decât ADN datorită grupului său extra -OH. În al doilea rând, ADN-ul este, destul de faimos, dublu catenar și înfășurat într-o formă elicoidală în cea mai stabilă din. ARN, pe de altă parte, este monocatenar. În al treilea rând, în timp ce ADN-ul și ARN-ul prezintă bazele azotate adenină (A), citozină (C) și guanină (G), a patra astfel de bază din ADN este timina (T), în timp ce în ARN este uracil (U).
Deoarece ADN-ul este dublu catenar, oamenii de știință știu de la mijlocul anilor 1900 că aceste baze azotate se împerechează cu și numai cu un alt tip de bază; A perechi cu T și C perechi cu G. Mai mult, A și G sunt clasificate chimic ca purine, în timp ce C și T sunt numite pirimidine. Deoarece purinele sunt substanțial mai mari decât pirimidinele, o pereche A-G ar fi prea voluminoasă, în timp ce o pereche C-T ar fi neobișnuit de mică; ambele situații ar perturba cele două catene din ADN bicatenar, fiind la aceeași distanță în toate punctele de-a lungul celor două catene.
Datorită acestei scheme de împerechere, cele două catene de ADN sunt numite „complementare”, iar secvența uneia poate fi prezisă dacă cealaltă este cunoscută. De exemplu, dacă un șir de zece nucleotide dintr-o catena de ADN are secvența de bază AAGCGTATTG, catena de ADN complementară va avea secvența de bază TTCGCATAAC. Deoarece ARN-ul este sintetizat dintr-un șablon de ADN, acest lucru are implicații și pentru transcriere.
Structura de bază a ARN-ului
ARNm este forma cea mai „asemănătoare ADN-ului” de acid ribonucleic, deoarece sarcina sa este în mare parte aceeași: transmiterea informațiilor codificate în gene, sub formă de baze azotate ordonate cu grijă, la mașinile celulare care se asamblează proteine. Dar există și diferite tipuri vitale de ARN.
Structura tridimensională a ADN-ului a fost elucidată în 1953, câștigându-i lui James Watson și Francis Crick un Premiu Nobel. Dar, după ani de zile, structura ARN a rămas evazivă, în ciuda eforturilor depuse de unii experți în ADN pentru a o descrie. În anii 1960, a devenit clar că, deși ARN este monocatenar, structura sa secundară - adică relația secvenței de nucleotide între ele pe măsură ce ARN-ul se învârte prin spațiu - implică faptul că lungimile ARN-ului se pot plia înapoi pe ele însele, cu bazele din același fir conectându-se astfel unul la altul în același mod în care o lungime de bandă adezivă s-ar putea lipi de sine dacă îi permiteți să strâmb. Aceasta este baza pentru structura încrucișată a ARNt, care include trei îndoiri de 180 de grade care creează echivalentul molecular al cul-de-sacilor din moleculă.
ARNr este oarecum diferit. Tot ARNr este derivat dintr-un monstru al unei catene de ARNr cu o lungime de aproximativ 13.000 de nucleotide. După o serie de modificări chimice, acest fir este divizat în două subunități inegale, una numită 18S și cealaltă etichetată 28S. („S” înseamnă „unitate Svedberg”, o măsură pe care biologii o folosesc pentru a estima indirect masa macromoleculelor.) Porțiunea 18S este încorporată în ceea ce este numită subunitatea ribozomală mică (care atunci când este completă este de fapt 30S) și partea 28S contribuie la subunitatea mare (care în total are o dimensiune de 50S); toți ribozomii conțin una din fiecare subunități împreună cu un număr de proteine (nu acizi nucleici, care fac proteinele în sine posibile) pentru a furniza ribozomi cu integritate structurală.
Catenele ADN și ARN au ambele capetele numite 3 'și 5' („trei-prime” și „cinci-prime”) se bazează pe pozițiile moleculelor atașate la porțiunea de zahăr a catenei. În fiecare nucleotidă, gruparea fosfat este atașată la atomul de carbon marcat 5 'în inelul său, în timp ce carbonul 3' prezintă o grupare hidroxil (-OH). Când o nucleotidă este adăugată la un lanț de acid nucleic în creștere, acest lucru are loc întotdeauna la capătul 3 'al lanțului existent. Adică, gruparea fosfat de la capătul 5 'al noii nucleotide este unită la carbonul 3' care prezintă gruparea hidroxil înainte de a se produce această legătură. -OH este înlocuit de nucleotidă, care pierde un proton (H) din gruparea sa fosfat; deci o moleculă de H2O, sau apa, se pierde în mediu în acest proces, făcând din sinteza ARN un exemplu de sinteză de deshidratare.
Transcriere: Codificarea mesajului în ARNm
Transcrierea este procesul în care ARNm este sintetizat dintr-un șablon de ADN. În principiu, având în vedere ceea ce știți acum, puteți imagina cu ușurință cum se întâmplă acest lucru. ADN-ul este dublu catenar, astfel încât fiecare catenă poate servi drept șablon pentru ARN monocatenar; aceste două noi fire de ARN, datorită capriciilor specifice de asociere a bazelor, vor fi complementare unele cu altele, nu că se vor lega între ele. Transcrierea ARN-ului este foarte asemănătoare cu replicarea ADN-ului prin aceea că se aplică aceleași reguli de împerechere a bazelor, U ocupând locul T în ARN. Rețineți că această înlocuire este un fenomen unidirecțional: T în ADN încă codifică A în ARN, dar A în codurile ADN pentru U în ARN.
Pentru ca transcrierea să aibă loc, dubla helix a ADN-ului trebuie să se dezvolte, ceea ce face sub direcția unor enzime specifice. (Mai târziu își asumă conformația elicoidală corespunzătoare.) După ce se întâmplă acest lucru, o secvență specifică numită în mod adecvat secvența promotor semnalează unde transcripția va începe de-a lungul moleculei. Aceasta convoacă pe scena moleculară o enzimă numită ARN polimerază, care în acest moment face parte dintr-un complex promotor. Toate acestea apar ca un fel de mecanism biochimic de siguranță pentru a împiedica sinteza ARN-ului să înceapă într-un punct greșit al ADN-ului și astfel să producă o catena de ARN care conține un cod nelegitim. ARN polimeraza „citește” catena ADN începând de la secvența promotor și se deplasează de-a lungul catenei ADN, adăugând nucleotide la capătul 3 'al ARN. Rețineți că firele de ARN și ADN, datorită faptului că sunt complementare, sunt, de asemenea, antiparalele. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce ARN-ul crește în direcția 3 ', acesta se deplasează de-a lungul firului de ADN la capătul 5' al ADN-ului. Acesta este un punct minor, dar deseori confuz pentru studenți, așa că poate doriți să consultați o diagramă pentru a vă asigura că înțelegeți mecanica sintezei ARNm.
Legăturile create între grupările fosfat ale unui nucleotid și grupul zahăr de pe următorul sunt numite legături fosfodiester (pronunțate "phos-pho-die-es-ter", nu "phos-pho-dee-ster", deoarece poate fi tentant să presupune).
Enzima ARN polimerază vine în multe forme, deși bacteriile includ doar un singur tip. Este o enzimă mare, formată din patru subunități proteice: alfa (α), beta (β), beta-primă (β ′) și sigma (σ). Combinate, acestea au o greutate moleculară de aproximativ 420.000 de daltoni. (Pentru referință, un singur atom de carbon are o greutate moleculară de 12; o singură moleculă de apă, 18; și o moleculă de glucoză întreagă, 180.) Enzima, numită holoenzimă atunci când toate cele patru subunități sunt prezent, este responsabil pentru recunoașterea secvențelor promotor pe ADN și separarea celor doi ADN suvite. ARN polimeraza se deplasează de-a lungul genei pentru a fi transcrisă, deoarece adaugă nucleotide segmentului de ARN în creștere, un proces numit alungire. Acest proces, la fel ca multe celule, necesită adenozin trifosfat (ATP) ca sursă de energie. ATP nu este nimic mai mult decât o nucleotidă care conține adenină care are trei fosfați în loc de unul.
Transcrierea încetează atunci când ARN-polimeraza în mișcare întâlnește o secvență de terminare în ADN. Așa cum secvența promotor poate fi privită ca echivalentul unei lumini verzi pe un semafor, secvența de terminare este analogul unei lumini roșii sau a unui semn de oprire.
Traducere: Decodarea mesajului din ARNm
Când o moleculă de ARNm care transportă informațiile pentru o anumită proteină - adică o bucată de ARNm care corespunde unei gene - este completă, încă trebuie procesat înainte de a fi gata să-și facă treaba de a furniza un plan chimic ribozomilor, unde sinteza proteinelor are nevoie loc. În organismele eucariote migrează și el din nucleu (procariotele nu au nucleu).
În mod critic, bazele azotate transportă informații genetice în grupuri de trei, numite codoni triplete. Fiecare codon conține instrucțiuni pentru a adăuga un anumit aminoacid unei proteine în creștere. La fel cum nucleotidele sunt unitățile monomerice ale acizilor nucleici, aminoacizii sunt monomerii proteinelor. Deoarece ARN conține patru nucleotide diferite (datorită celor patru baze diferite disponibile) și un codon este format din trei nucleotide consecutive, există 64 de codoni triplet total disponibili (43 = 64). Adică, începând cu AAA, AAC, AAG, AAU și lucrând până la UUU, există 64 de combinații. Cu toate acestea, oamenii folosesc doar 20 de aminoacizi. Ca rezultat, se spune că codul triplet este redundant: În majoritatea cazurilor, mai multe triplete codifică același aminoacid. Inversul nu este adevărat - adică același triplet nu poate codifica mai mult de un aminoacid. Puteți imagina probabil haosul biochimic care ar rezulta altfel. De fapt, aminoacizii leucina, arginina și serina au fiecare câte șase triplete care le corespund. Trei codoni diferiți sunt codoni STOP, similari cu secvențele de terminare a transcripției din ADN.
Traducerea în sine este un proces extrem de cooperant, care reunește toți membrii familiei extinse de ARN. Deoarece apare pe ribozomi, implică în mod evident utilizarea ARNr. Moleculele de ARNt, descrise anterior ca mici cruci, sunt responsabile de transportarea aminoacizilor individuali către site-ul de traducere de pe ribozom, cu fiecare aminoacid transportat de propria marcă specifică de ARNt escorta. La fel ca transcrierea, traducerea are faze de inițiere, alungire și terminare, iar la sfârșitul sintezei unei molecule proteice, proteina este eliberată din ribozom și ambalată în corpurile Golgi pentru utilizare în altă parte, iar ribozomul în sine se disociază în componenta sa subunități.