RNA: Funções, Estrutura e Tipos

O ARN ou ARN (ácido ribonucleico) é um tipo de ácido nucleico presente em eucariotas, procariotas e vírus. É um polímero nucleotídico que contém quatro tipos de bases nitrogenadas em sua estrutura: adenina, guanina, citosina e uracilo.

O RNA é geralmente encontrado como uma banda única (exceto em alguns vírus), linearmente ou formando uma série de estruturas complexas. De fato, o RNA tem um dinamismo estrutural que não é observado na dupla hélice do DNA . Diferentes tipos de RNA têm funções muito variadas.

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Os RNAs ribossômicos fazem parte dos ribossomos , as estruturas responsáveis ​​pela síntese de proteínas nas células. Os RNAs mensageiros funcionam como intermediários e transportam informações genéticas para o ribossomo, que traduz a mensagem de uma sequência de nucleotídeos para um dos aminoácidos .

Os RNAs de transferência são responsáveis ​​por ativar e transferir os diferentes tipos de aminoácidos – 20 no total – para os ribossomos. Existe uma molécula de RNA de transferência para cada aminoácido que reconhece a sequência no RNA mensageiro.

Além disso, existem outros tipos de RNA que não estão diretamente envolvidos na síntese de proteínas e participam da regulação de genes.

Estrutura

As unidades fundamentais do RNA são nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por uma base de nitrogênio (adenina, guanina, citosina e uracil), uma pentose e um grupo fosfato.

Nucleotídeos

As bases de nitrogênio são derivadas de dois compostos fundamentais: pirimidinas e purinas.

As bases derivadas de purinas são adenina e guanina e as bases derivadas de pirimidinas são citosina e uracilo. Embora essas sejam as bases mais comuns, os ácidos nucleicos também podem ter outros tipos de bases que são menos frequentes.

Quanto à pentose, são unidades de d-ribose. Portanto, os nucleotídeos que compõem o RNA são chamados de “ribonucleotídeos”.

Cadeia de RNA

Os nucleotídeos são ligados por ligações químicas que envolvem o grupo fosfato. Para formar, o grupo fosfato na extremidade 5 ‘de um nucleotídeo é anexado ao grupo hidroxila (–OH) na extremidade 3’ do nucleotídeo a seguir, criando assim uma ligação do tipo fosfodiéster.

Ao longo da cadeia de ácido nucleico, as ligações fosfodiéster têm a mesma orientação. Portanto, existe uma polaridade da fita, distinguindo entre 3 ‘e a extremidade 5’.

Por convenção, a estrutura dos ácidos nucleicos é representada com a extremidade 5 ‘à esquerda e a 3’ à direita.

O produto de RNA da transcrição de DNA é uma banda simples que gira para a direita, em uma conformação helicoidal ao empilhar as bases. A interação entre purinas é muito maior que a interação entre duas pirimidinas, devido ao seu tamanho.

No RNA, não se pode falar de uma estrutura e referência secundária tradicional, como é a dupla hélice do DNA. A estrutura tridimensional de cada molécula de RNA é única e complexa, comparável à das proteínas (logicamente, não podemos globalizar a estrutura das proteínas).

Forças que estabilizam o RNA

Existem interações fracas que contribuem para a estabilização do RNA, particularmente o empilhamento de bases, onde os anéis estão localizados um acima do outro. Este fenômeno também contribui para a estabilidade da hélice do DNA.

Se a molécula de RNA encontrar uma sequência complementar, elas poderão acoplar e formar uma estrutura de fita dupla que vira para a direita. A forma predominante é do tipo A; quanto às formas Z, elas só foram evidenciadas em laboratório, enquanto a forma B não foi observada.

Geralmente existem sequências curtas (como UUGG) localizadas no final do RNA e com a particularidade de formar alças estáveis. Essa sequência participa do dobramento da estrutura tridimensional do RNA.

Além disso, as ligações de hidrogênio podem ser formadas em locais diferentes do acasalamento típico (AU e CG). Uma dessas interações ocorre entre 2′-OH da ribose e outros grupos.

A diluição das várias estruturas encontradas no RNA serviu para demonstrar as múltiplas funções desse ácido nucleico.

Tipos e funções de RNA

Existem dois tipos de RNA: informativo e funcional. Ao primeiro grupo pertencem os RNAs que participam da síntese proteica e funcionam como intermediários do processo; RNAs informativos são RNAs mensageiros.

Por outro lado, os RNAs pertencentes à segunda classe, os funcionais, não dão origem a uma nova molécula de proteína e o próprio RNA é o produto final. Estes são RNAs de transferência e RNAs ribossômicos.

Nas células de mamíferos, 80% do RNA é RNA ribossômico, 15% é RNA de transferência e apenas uma pequena porção corresponde ao RNA mensageiro. Esses três tipos trabalham cooperativamente para alcançar a biossíntese de proteínas.

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Existem também pequenos RNAs nucleares, pequenos RNAs citoplasmáticos e microRNAs, entre outros. Cada um dos tipos mais importantes será descrito em detalhes abaixo:

RNA mensageiro

Nos eucariotos, o DNA é confinado no núcleo, enquanto a síntese protéica ocorre no citoplasma da célula, onde são encontrados os ribossomos. Para essa separação espacial, deve haver um mediador que transporta a mensagem do núcleo para o citoplasma e que a molécula é o RNA mensageiro.

O RNA mensageiro, mRNA abreviado, é uma molécula intermediária que contém as informações codificadas no DNA e especifica uma sequência de aminoácidos que dará origem a uma proteína funcional.

O termo RNA mensageiro foi proposto em 1961 por François Jacob e Jacques Monod para descrever a parte do RNA que transmitia a mensagem do DNA para os ribossomos.

O processo de síntese de um mRNA a partir da cadeia de DNA é conhecido como transcrição e ocorre diferencialmente entre procariontes e eucariotos.

A expressão gênica é governada por vários fatores e depende das necessidades de cada célula. A transcrição é dividida em três etapas: iniciação, alongamento e rescisão.

Transcrição

O processo de replicação do DNA, que ocorre em cada divisão celular, copia todo o cromossomo. No entanto, o processo de transcrição é muito mais seletivo, apenas lida com o processamento de segmentos específicos da fita de DNA e não requer um primer.

Em Escherichia coli – a bactéria mais estudada nas ciências biológicas – a transcrição começa com o desenrolamento da dupla hélice de DNA e a alça de transcrição é formada. A enzima RNA polimerase é responsável pela síntese do RNA e, à medida que a transcrição continua, a fita de DNA retorna à sua forma original.

Iniciação, alongamento e terminação

A transcrição não é iniciada em locais aleatórios na molécula de DNA; Existem sites especializados para esse fenômeno, chamados promotores. Em E. coli, a RNA polimerase é acoplada algumas bases acima da região branca.

As seqüências onde os fatores de transcrição são acoplados são bastante conservadas entre as diferentes espécies. Uma das sequências promotoras mais conhecidas é a caixa TATA.

No alongamento, a enzima RNA polimerase adiciona novos nucleotídeos à extremidade 3′-OH, seguindo a direção de 5 ‘a 3’. O grupo hidroxila atua como um nucleófilo, atacando o fosfato alfa do nucleotídeo que será adicionado. Essa reação libera um pirofosfato.

Apenas uma das cadeias de DNA é usada para sintetizar o RNA mensageiro, que é copiado na direção de 3 ‘a 5’ (a forma antiparalela da nova cadeia de RNA). O nucleotídeo que será adicionado deve obedecer ao emparelhamento de bases: U emparelha com A e G com C.

A RNA polimerase interrompe o processo quando encontra regiões ricas em citosina e guanina. Finalmente, a nova molécula de RNA mensageiro se separa do complexo.

Transcrição em procariontes

Nos procariontes, uma molécula de RNA mensageiro pode codificar mais de uma proteína.

Quando um mRNA codifica exclusivamente para uma proteína ou polipeptídeo, ele é chamado de mRNA monocistrônico, mas se codifica para mais de um produto proteico, o mRNA é policistrônico (observe que, nesse contexto, o termo cistron se refere ao gene).

Transcrição eucariótica

Nos organismos eucarióticos, a grande maioria dos mRNAs é monocistrônica e o mecanismo de transcrição é muito mais complexo nessa linhagem de organismos. Eles são caracterizados por possuir três RNA polimerases, denotadas I, II e III, cada uma com funções específicas.

OI é responsável por sintetizar o pré-rRNA, o II sintetiza RNAs mensageiros e alguns RNAs especiais. Finalmente, III é responsável pela transferência de RNAs, 5S ribossômico e outros pequenos RNAs.

RNA mensageiro em eucariotos

O RNA mensageiro passa por uma série de modificações específicas nos eucariotos. O primeiro envolve a adição de um “capuz” ao extremo 5 ‘. Quimicamente, a tampa é um resíduo de 7-metilguanosina ancorado no final por uma ligação do tipo 5 ‘, 5’-trifosfato.

A função dessa área é proteger o RNA da possível degradação pelas ribonucleases (enzimas que degradam o RNA em componentes menores).

Além disso, ocorre a remoção da extremidade 3 ‘e são adicionados de 80 a 250 resíduos de adenina. Essa estrutura é conhecida como poliA “cauda” e serve como zona de ligação para várias proteínas. Quando um procariótico adquire uma cauda poliA, ele tende a estimular sua degradação.

Por outro lado, esse mensageiro é transcrito com íntrons. Os íntrons são sequências de DNA que não fazem parte do gene, mas que “interrompem” essa sequência. Os íntrons não são traduzidos e, portanto, devem ser removidos do messenger.

A maioria dos genes de vertebrados possui íntrons, exceto os genes que codificam histonas. Da mesma forma, o número de íntrons em um gene pode variar de algumas a dezenas.

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Emenda de RNA

A amostragem do RNA ou processo de emenda envolve a remoção de íntrons no RNA mensageiro.

Alguns íntrons encontrados nos genes nucleares ou mitocondriais podem executar o processo de emenda sem a ajuda de enzimas ou ATP. Em vez disso, o processo é realizado por reações de transesterificação. Esse mecanismo foi descoberto no protozoário ciliado Tetrahymena thermophila.

Por outro lado, há outro grupo de mensageiros que não são capazes de mediar suas próprias emendas , então eles precisam de maquinaria adicional. A esse grupo pertence um número bastante grande de genes nucleares.

O processo de emenda é mediado por um complexo de proteínas chamado esplenicossoma ou complexo de emenda. O sistema é composto por complexos especializados de RNA chamados pequenas ribonucleoproteínas nucleares (RNP).

Existem cinco tipos de RNP: U1, U2, U4, U5 e U6, que são encontrados no núcleo e mediam o processo de emenda.

A emenda pode produzir mais do que um tipo de proteína como este é conhecido splicing a Alternativa como exões estão dispostas diferencialmente, a criação de variedades RNAs mensageiros.

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RNA ribossômico

O RNA ribossômico, rRNA abreviado, é encontrado nos ribossomos e participa da biossíntese de proteínas. Portanto, é um componente essencial de todas as células.

O RNA ribossômico está associado a moléculas de proteína (aproximadamente 100, aproximadamente) para dar origem a pré-comunidades ribossômicas. Eles são classificados de acordo com seu coeficiente de sedimentação, indicado pela letra S das unidades de Svedberg.

Um ribossomo é composto de duas partes: a subunidade principal e a subunidade menor. Ambas as subunidades diferem entre procariontes e eucariotos em termos de coeficiente de sedimentação.

Os procariontes têm uma grande subunidade 50S e uma pequena subunidade 30S, enquanto que nos eucariontes a subunidade grande é 60S e a pequena 40S.

Os genes que codificam os RNAs ribossômicos estão no nucléolo, uma área específica do núcleo que não é delimitada por membrana. Os RNAs ribossômicos são transcritos nessa região pela RNA polimerase I.

Nas células que sintetizam grandes quantidades de proteínas; O nucléolo é uma estrutura proeminente. No entanto, quando a célula em questão não requer um grande número de produtos proteicos, o nucléolo é uma estrutura quase imperceptível.

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Processamento de RNA ribossômico

A grande subunidade ribossômica 60S está associada aos fragmentos 28S e 5.8S. No que diz respeito à pequena subunidade (40S), está associada ao 18S.

Nos eucariotos superiores, o pré-rRNA é codificado em uma unidade transcricional 45S, que envolve a RNA polimerase I. Esse transcrito é processado nos RNAs ribossômicos maduros 28S, 18S e 5.8S.

Ao continuar a síntese, o pré-rRNA é associado a diferentes proteínas e forma partículas de ribonucleoproteínas. Isto sofre uma série de modificações subsequentes, incluindo a metilação do grupo 2′-OH da ribose e a conversão dos resíduos de uridina em pseudouridina.

A região onde essas alterações ocorrerão é controlada por mais de 150 pequenas moléculas de RNA nucleolar, que têm a capacidade de acoplar-se ao pré-rRNA.

Ao contrário do restante dos pré-rRNAs, o 5S é transcrito pela RNA polimerase III no nucleoplasma e não dentro do nucléolo . Depois de sintetizado, é levado ao nucléolo para se unir aos 28S e 5.8S, formando assim as unidades ribossômicas.

No final do processo de montagem, as subunidades são transferidas para o citoplasma pelos poros nucleares.

Polyribosomes

Pode acontecer que uma molécula de RNA mensageiro dê origem a várias proteínas ao mesmo tempo, unindo mais de um ribossomo. À medida que o processo de tradução avança, o final do messenger é gratuito e pode ser captado por outro ribossomo, iniciando uma nova síntese.

Portanto, é comum encontrar os ribossomos agrupados (entre 3 e 10) em uma única molécula de RNA mensageiro, e esse grupo é chamado de polirribossomo.

RNA de transferência

O RNA de transferência é responsável por transferir os aminoácidos à medida que o processo de síntese protéica progride. Eles consistem em aproximadamente 80 nucleotídeos (comparado ao RNA mensageiro, é uma molécula “pequena”).

A estrutura tem dobras e cruzamentos que lembram um trevo com três braços. Em uma extremidade, há um anel adenil, em que o grupo hidroxil da ribose medeia a união com o aminoácido a ser transportado.

Os diferentes RNAs de transferência são combinados exclusivamente com um dos vinte aminoácidos que compõem as proteínas; Em outras palavras, é o veículo que transporta os blocos fundamentais de proteínas. O complexo de RNA de transferência, juntamente com o aminoácido, é chamado aminoacil-tRNA.

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Além disso, no processo de tradução – que ocorre graças aos ribossomos – cada RNA de transferência reconhece um códon específico no RNA mensageiro. Quando reconhecido, o aminoácido correspondente é liberado e se torna parte do peptídeo sintetizado.

Para reconhecer o tipo de aminoácido que deve ser entregue, o RNA possui um ” anticódon ” localizado na região central da molécula. Este anticódon é capaz de formar ligações de hidrogênio com as bases complementares presentes no DNA mensageiro.

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MicroRNA

MicroRNAs ou mRNAs são um tipo de RNA curto, de fita simples, entre 21 e 23 nucleotídeos, cuja função é regular a expressão gênica. Uma vez que não se traduz em proteína, é geralmente chamado de RNA não codificante.

Como os outros tipos de RNA, o processamento de microRNAs é complexo e envolve uma série de proteínas.

Os microRNAs surgem de precursores mais longos, chamados mRNA-pri, derivados do primeiro transcrito genético. No núcleo celular, esses precursores são modificados no complexo do microprocessador e o resultado é um pré-mRNA.

Os pré-mRNAs são 70 grampos de nucleotídeo que continuam processando no citoplasma por uma enzima chamada Dicer, que monta o complexo de silenciamento induzido por RNA (RISC) e, finalmente, o mRNA é sintetizado.

Esses RNAs são capazes de regular a expressão gênica, uma vez que são complementares a RNAs mensageiros específicos. Quando acoplados ao seu alvo, os mRNAs são capazes de reprimir o mensageiro ou até degradá-lo. Consequentemente, o ribossomo não pode traduzir a referida transcrição.

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Silenciamento de RNA

Um tipo particular de microRNA são os RNAs de pequena interferência (siRNAs), também chamados de RNAs silenciadores. São RNAs curtos, entre 20 a 25 nucleotídeos, que dificultam a expressão de certos genes.

São instrumentos muito promissores para a pesquisa, pois permitem silenciar um gene de interesse e, assim, estudar sua possível função.

Diferenças entre DNA e RNA

Embora o DNA e o RNA sejam ácidos nucleicos e possam parecer muito semelhantes à primeira vista, eles diferem em várias de suas propriedades químicas e estruturais. O DNA é uma molécula de banda dupla, enquanto o RNA é uma banda simples.

Portanto, o RNA é uma molécula mais versátil e pode assumir uma grande variedade de formas tridimensionais. No entanto, certos vírus possuem RNA de fita dupla em seu material genético.

Nos nucleotídeos do RNA, a molécula de açúcar é uma ribose, enquanto no DNA é uma desoxirribose, diferindo apenas na presença de um átomo de oxigênio.

A ligação fosfodiéster no esqueleto de DNA e RNA é propensa a sofrer um lento processo de hidrólise sem a presença de enzimas. Sob condições de alcalinidade, o RNA hidrolisa rapidamente – graças ao grupo hidroxila extra – enquanto o DNA não.

Da mesma forma, as bases nitrogenadas que compõem os nucleotídeos no DNA são guanina, adenina, timina e citosina; por outro lado, a timina é substituída pelo uracil no RNA. Uracil pode acasalar com adenina, da mesma forma que a timina no DNA.

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Origem e evolução

O RNA é a única molécula conhecida capaz de armazenar informações e catalisar reações químicas ao mesmo tempo; Portanto, vários autores propõem que a molécula de RNA foi crucial na origem da vida. Surpreendentemente, os substratos do ribossomo são outras moléculas de RNA.

A descoberta de ribozimas levou à redefinição bioquímica de “enzima” – uma vez que antes o termo era usado exclusivamente para proteínas com atividade catalítica – e ajudou a sustentar um cenário em que as primeiras formas de vida usavam apenas RNA como material genético.

Referências

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