ARN: Funciones, Estructura y Tipos
El ARN o RNA (ácido ribonucleico) es un tipo de ácido nucleico presente en organismos eucariotas, procariotas y en los virus. Es un polímero de nucleótidos que contiene cuatro tipo de bases nitrogenadas en su estructura: adenina, guanina, citosina y uracilo.
El ARN se encuentra generalmente como una sola banda (excepto en algunos virus), de manera lineal o formando una serie de complejas estructuras. De hecho, el ARN posee un dinamismo estructural que no es observado en la doble hélice de ADN. Los distintos tipos de ARN poseen funciones muy variadas.
Los ARN ribosomales forman parte de los ribosomas, las estructuras encargadas de la síntesis de proteínas en las células. Los ARN mensajeros funcionan como intermediarios y transportan la información genética al ribosoma, que traduce el mensaje de una secuencia de nucleótidos a una de aminoácidos.
Los ARN de transferencia se encargan de activar y transferir los distintos tipos de aminoácidos —20 en total— a los ribosomas. Existe una molécula de ARN de transferencia para cada aminoácido que reconoce la secuencia en el ARN mensajero.
Además, existen otros tipos de ARN que no están implicados directamente en la síntesis de proteínas y participan en la regulación génica.
Estructura
Las unidades fundamentales del ARN son los nucleótidos. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina y uracilo), una pentosa y un grupo fosfato.
Nucleótidos
Las bases nitrogenadas son derivados de dos compuestos fundamentales: las pirimidinas y las purinas.
Las bases derivadas de las purinas son la adenina y la guanina y las bases derivadas de las pirimidinas son las citosina y el uracilo. Aunque estas son las bases más comunes, los ácidos nucleicos también pueden presentar otros tipos de bases que son menos frecuentes.
En cuanto a la pentosa, son unidades de d–ribosa. Por ello, los nucleótidos que componen el ARN se denominan “ribonucleótidos”.
Cadena de ARN
Los nucleótidos están unidos entre sí mediante enlaces químicos que involucran al grupo fosfato. Para formarlos, el grupo fosfato del extremo 5′ de un nucleótido es unido al grupo hidroxilo (–OH) en el extremo 3′ del nucleótido siguiente, creando así un enlace del tipo fosfodiester.
A lo largo de la cadena del ácido nucleico, los enlaces fosfodiester presentan la misma orientación. Por lo tanto, existe una polaridad de la hebra, distinguiéndose entre el entre 3′ y el extremo 5′.
Por convención, la estructura de los ácidos nucleicos se representa con el extremo 5′ a la izquierda y el 3′ a la derecha.
El ARN producto de la transcripción del ADN es una cadena simple banda que gira hacia la derecha, en una conformación helicoidal por el apilamiento de las bases. La interacción entre las purinas es mucho mayor que la interacción entre dos pirimidinas, por el tamaño de las mismas.
En el ARN no se puede hablar de una estructura secundaria tradicional y de referencia, como lo es la doble hélice del ADN. La estructura tridimensional de cada molécula de ARN es única y compleja, comparable a la de las proteínas (lógicamente, no podemos globalizar la estructura de las proteínas).
Fuerzas que estabilizan al ARN
Existen interacciones débiles que contribuyen a la estabilización del ARN, particularmente el apilamiento de bases, en donde los anillos se ubican uno sobre el otro. Este fenómeno también contribuye en la estabilidad de la hélice de ADN.
Si la molécula de ARN encuentra una secuencia complementaria, podrán acoplarse y formar una estructura de doble cadena que gira hacia la derecha. La forma predominante es del tipo A; en cuanto a las formas Z, solo se han evidenciado en el laboratorio, mientras que la forma B no se ha observado.
Generalmente existen secuencias cortas (como UUGG) que se ubican al final del ARN y tienen la particularidad de formar loops estables. Dicha secuencia participa en el plegado de la estructura tridimensional del ARN.
Además, pueden formarse puentes de hidrógeno en otros sitios que no son los típicos apareamientos de bases (AU y CG). Una de estas interacciones ocurre entre el 2’–OH de la ribosa con otros grupos.
Dilucidar las diversas estructuras encontradas en el ARN ha servido para evidenciar las múltiples funciones de este ácido nucleico.
Tipos de ARN y funciones
Existen dos clases de ARN: los informacionales y los funcionales. Al primer grupo pertenecen los ARN que participan en la síntesis de proteínas y funcionan como intermediarios del proceso; los ARN informacionales son los ARN mensajeros.
En contraste, los ARN pertenecientes a la segunda clase, los funcionales, no dan origen a una nueva molécula de proteínas y el ARN mismo es el producto final. Estos son los ARN de transferencia y los ARN ribosomales.
En células de mamíferos, el 80 % del ARN es ARN ribosomal, un 15 % es ARN de transferencia y solo una pequeña porción corresponde al ARN mensajero. Estos tres tipos trabajan de manera cooperativa para lograr la biosíntesis de proteínas.
También existen los ARN pequeños nucleares, los ARN pequeños citoplasmáticos y los microARN, entre otros. A continuación se describirán con detalle cada uno de los tipos más importantes:
ARN mensajero
En los eucariotas el ADN está confinado en el núcleo, mientras que la síntesis de las proteínas ocurre en el citoplasma de la célula, donde se encuentran los ribosomas. Por esta separación espacial debe existir un mediador que lleve el mensaje desde el núcleo al citoplasma y esa molécula es el ARN mensajero.
El ARN mensajero, abreviado ARNm, es una molécula intermediaria que contiene la información codificada en el ADN y que especifica una secuencia de aminoácidos que dará origen a una proteína funcional.
El término ARN mensajero fue propuesto en el año 1961 por François Jacob y Jacques Monod para describir la porción de ARN que transmitía el mensaje desde el ADN a los ribosomas.
El proceso de síntesis de un ARNm a partir de la hebra de ADN se conoce como transcripción y ocurre de manera diferencial entre procariotas y eucariotas.
La expresión génica está gobernada por varios factores y depende de las necesidades de cada célula. La transcripción se divide en tres etapas: iniciación, elongación y terminación.
Transcripción
El proceso de replicación del ADN, que ocurre en cada división celular, copia todo el cromosoma. Sin embargo, el proceso de transcripción es mucho más selectivo, solo se ocupa de procesar segmentos específicos de la hebra de ADN y no requiere de un cebador.
En Escherichia coli —la bacteria mejor estudiada en las ciencias biológicas— la transcripción empieza con el desenrollado de la doble hélice de ADN y se forma el bucle de transcripción. La enzima ARN polimerasa se encarga de sintetizar el ARN y, a medida que la transcripción continúa, la hebra de ADN vuelva a su forma original.
Iniciación, elongación y terminación
La transcripción no es iniciada en sitios aleatorios en la molécula de ADN; existen sitios especializados para dicho fenómeno, denominados promotores. En E. coli la ARN polimerasa es acoplada unos pares de bases por encima de la región blanco.
Las secuencias donde se acoplan los factores de transcripción son bastante conservadas entre distintas especies. Uno de las secuencias promotoras más conocidas es la caja TATA.
En la elongación, la enzima ARN polimerasa añade nuevos nucleótidos al extremo 3’–OH, siguiendo la dirección 5′ al 3′. El grupo hidroxilo actúa como un nucleófilo, atacando al fosfato alfa del nucleótido que será adicionado. Esta reacción libera un pirofosfato.
Solo una de las hebras de ADN es usada para sintetizar el ARN mensajero, el cual es copiado en la dirección 3′ al 5′ (la forma antiparalela de la nueva cadena de ARN). El nucleótido que será adicionado debe cumplir con el apareamiento de bases: U se aparea con A, y G con C.
La ARN polimerasa detiene el proceso cuando encuentra regiones ricas en citosina y guanina. Finalmente, la nueva molécula de ARN mensajero se separa del complejo.
Transcripción en procariotas
En los procariotas, una molécula de ARN mensajero puede codificar para más de una proteína.
Cuando un ARNm codifica exclusivamente para una proteína o polipéptido recibe el nombre de ARNm monocistrónico, pero si codifica para más de una producto proteico el ARNm es policistrónico (nótese que en este contexto el término cistrón hace referencia al gen).
Transcripción en eucariotas
En los organismos eucariotas, la gran mayoría de ARNm son monocistrónicos y la maquinaria transcripcional es mucho más compleja es este linaje de organismos. Se caracterizan por poseer tres ARN polimerasas, denotadas I, II y III, cada una con funciones específicas.
La I se encarga de sintetizar los pre–ARNr, la II sintetiza los ARN mensajeros y algunos ARN especiales. Finalmente, la III se encarga de los ARN de transferencia, el 5S ribosomal y otros ARN pequeños.
ARN mensajero en eucariotas
El ARN mensajero sufre una serie de modificaciones específicas en los eucariotas. La primera involucra la adición de una “caperuza” al extremo 5′. Químicamente, la caperuza es un residuo de 7–metilguanosina anclado al extremo por un enlace del tipo 5′,5’–trifosfato.
La función de esta zona es proteger al ARN de la posible degradación por ribonucleasas (enzimas que degradan el ARN en componentes más pequeños).
Además, ocurre la eliminación del extremo 3′ y se adicionan de 80 a 250 residuos de adenina. Esta estructura se conoce como “cola” poliA y sirve como zona de unión para varias proteínas. Cuando un procariota adquiere una cola poliA tiende a estimular su degradación.
Por otro lado, este mensajero es transcrito con los intrones. Los intrones son secuencias de ADN que no son parte del gen pero que “interrumpen” dicha secuencia. Los intrones no se traducen y por ello deben ser eliminados del mensajero.
La mayoría de los genes de los vertebrados poseen intrones, a excepción de los genes que codifican para las histonas. Del mismo modo, el número de intrones en un gen puede variar desde unos pocos hasta decenas de estos.
Splicing de ARN
El splicing de ARN o proceso de corte y empalme consiste en la eliminación de los intrones en el ARN mensajero.
Algunos intrones encontrados en genes nucleares o mitocondriales pueden realizar el proceso de splicing sin ayuda de enzimas o ATP. En su lugar, el proceso se lleva a cabo por reacciones de transesterificación. Este mecanismo fue descubierto en el protozoario ciliado Tetrahymena thermophila.
En contraste, existe otro grupo de mensajeros que no son capaces de mediar su propio splicing, por lo que necesitan una maquinaria adicional. A este grupo pertenece un número bastante elevado de genes nucleares.
El proceso de splicing es mediado por un complejo proteico denominado espliceosoma o complejo de corte y empalme. El sistema está integrado por complejos de ARN especializados llamados ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNP).
Existen cinco tipos de RNP: U1, U2, U4, U5 y U6, que se encuentran en el núcleo y median el proceso de splicing.
El splicing puede producir más de un tipo de proteína —esto se conoce como splicing alternativo—, ya que los exones se arreglan de manera diferencial, creando variedades de ARN mensajeros.
ARN ribosomal
El ARN ribosomal, abreviado ARNr, se encuentra en los ribosomas y participa en las biosíntesis de las proteínas. Por ello, es un componente esencial de todas las células.
El ARN ribosomal se asocia con moléculas proteicas (unas 100, aproximadamente) para dar origen a las presubunidades ribosomales. Se clasifican dependiendo de su coeficiente de sedimentación, denotado por la letra S de unidades Svedberg.
Un ribosoma se compone de dos partes: la subunidad mayor y la subunidad menor. Ambas subunidades difieren entre los procariotas y los eucariotas en cuanto al coeficiente de sedimentación.
Los procariotas poseen una subunidad grande 50S y una pequeña de 30S, mientras que en los eucariotas la subunidad grande es 60S y la pequeña 40S.
Los genes que codifican para los ARN ribosomales están en el nucléolo, una zona particular del núcleo que no está delimitada por membrana. Los ARN ribosomales son transcritos en esta región por la ARN polimerasa I.
En las células que sintetizan grandes cantidades de proteínas; el nucléolo es una estructura prominente. Sin embargo, cuando la célula en cuestión no requiere un número elevado de productos proteicos, el nucléolo es una estructura casi imperceptible.
Procesamiento del ARN ribosomal
Los subunidad ribosomal grande 60S está asociada a los fragmentos 28S y 5.8S. Con respecto a la subunidad pequeña (40S), está asociada al 18S.
En los eucariotas superiores, el pre–ARNr viene codificado en una unidad transcripcional de 45S, que involucra a la ARN polimerasa I. Este transcrito es procesado en los ARN ribosomales maduros 28S, 18S y 5.8S.
Al continuar la síntesis, el pre–ARNr se asocia con distintas proteínas y forman partículas de ribonucleoproteínas. Este sufre una serie de modificaciones posteriores que incluyen metilación del grupo 2’–OH de la ribosa y la conversión de residuos de uridina a pseudouridina.
La región donde ocurrirán estos cambios están controladas por más de 150 moléculas de ARN nucleolares pequeños, que tienen la capacidad de acoplarse al pre–ARNr.
Contrariamente al resto de los pre–ARNr, el 5S es transcrito por las ARN polimerasa III en el nucleoplasma y no en el interior del nucléolo. Luego de ser sintetizado, es llevado al nucléolo para ensamblarse con los 28S y 5.8S, formando así las unidades ribosomales.
Al finalizar el proceso de ensamblaje, las subunidades son trasladadas al citoplasma por los poros nucleares.
Polirribosomas
Puede ocurrir que una molécula de ARN mensajero dé origen a varias proteínas a la vez, uniéndose a más de un ribosoma. A medida que avanza el proceso de traducción, el extremo del mensajero queda libre y puede ser captado por otro ribosoma, empezando una nueva síntesis.
Por ello, es común encontrar a los ribosomas agrupados (entre 3 y 10) en una sola molécula de ARN mensajero, y a este grupo se le denominan polirribosoma.
ARN de transferencia
El ARN de transferencia se encarga de transferir los aminoácidos a medida que avanza el proceso de síntesis proteica. Se componen de aproximadamente 80 nucleótidos (comparado el ARN mensajero, es una molécula “pequeña”).
La estructura tiene pliegues y cruces que recuerda a un trébol con tres brazos. En uno de los extremos se ubica un anillo adenílico, donde el grupo hidroxilo de la ribosa media la unión con el aminoácido a ser transportado.
Los distintos ARN de transferencia se combinan exclusivamente con uno de los veinte aminoácidos que forman las proteínas; en otras palabras, es el vehículo que transporta los bloques fundamentales de las proteínas. El complejo del ARN de transferencia junto con el aminoácido se denomina aminoacil–ARNt.
Además, en el proceso de traducción —que ocurre gracias a los ribosomas— cada ARN de transferencia reconoce un codón específico en el ARN mensajero. Cuando lo reconoce, el aminoácido correspondiente es liberado y pasa a formar parte del péptido sintetizado.
Para reconocer el tipo de aminoácido que debe ser entregado, el ARN cuenta con un “anticodón” situado en la región media de la molécula. Este anticodón es capaz de formar enlaces de hidrógeno con las bases complementarias presentes en el ADN mensajero.
MicroARN
Los microARN o ARNmi son un tipo de ARN cortos de una sola cadena, entre 21 y 23 nucleótidos, cuya función es regular la expresión de los genes. Como no se traduce a proteína, suele llamarse ARN no codificante.
Como los demás tipos de ARN, el procesamiento de los microARN es complejo e involucra una serie de proteínas.
Los microARN surgen de precursores más largos denominados ARNmi–pri, derivados del primer transcrito del gen. En el núcleo de la célula, estos precursores son modificados en el complejo de microprocesador y el resultado es un pre–ARNmi.
Los pre–ARNmi son horquillas de 70 nucleótidos que continúan su procesamiento en el citoplasma por una enzima llamada Dicer, que ensambla el complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC) y finalmente se sintetiza el ARNmi.
Estos ARN son capaces de regular la expresión de los genes, ya que son complementarios a ARN mensajeros específicos. Al acoplarse con su blanco, los ARNmi son capaces de reprimir al mensajero, o hasta degradarlo. En consecuencia, el ribosoma no puede traducir dicho transcrito.
ARN de silenciamiento
Un tipo particular de microARN son los ARN de interferencia pequeño (ARNsi), también denominados ARN de silenciamiento. Son ARN cortos, entre 20 a 25 nucleótidos, que obstaculizan la expresión de ciertos genes.
Son instrumentos muy prometedores para la investigación, ya que permiten silenciar un gen de interés y así estudiar su posible función.
Diferencias entre el ADN y el ARN
Aunque el ADN y el ARN son ácidos nucleicos y pueden lucir muy similares a primera vista, difieren en varias de sus propiedades químicas y estructurales. El ADN es una molécula doble banda, mientras que el ARN es simple banda.
Por ello, el ARN es una molécula más versátil y puede adoptar una gran variedad de formas tridimensionales. Sin embargo, ciertos virus poseen en su material genético ARN en doble banda.
En los nucleótidos del ARN la molécula de azúcar es una ribosa, mientras que en el ADN es una desoxirribosa, difiriendo solamente en la presencia de un átomo de oxígeno.
El enlace fosfodiester en el esqueleto del ADN y el ARN es propenso a sufrir un proceso de hidrólisis lenta y sin la presencia de enzimas. En condiciones de alcalinidad, el ARN se hidroliza rápidamente —gracias al grupo hidroxilo extra—, mientras que el ADN no.
Del mismo modo, las bases nitrogenadas que componen los nucleótidos en el ADN son guanina, adenina, timina y citosina; en cambio, en el ARN la timina se sustituye por uracilo. El uracilo puede aparearse con la adenina, del mismo modo que la timina en el ADN.
Origen y evolución
El ARN es la única molécula conocida capaz de almacenar información y catalizar reacciones químicas al mismo tiempo; por ello, varios autores proponen que la molécula de ARN fue crucial en el origen de la vida. Sorprendentemente, los sustratos de las ribosomas son otras moléculas de ARN.
El descubrimiento de las ribozimas lleó a la redefinición bioquímica de “enzima” —ya que antes el término se usaba exclusivamente para proteínas con actividad catalítica—, y ayudó a sustentar un escenario donde las primeras formas de vida usaban como material genético solamente ARN.
Referencias
- Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. From DNA to RNA. Disponible en: ncbi.nlm.nih.gov
- Berg, J. M., Stryer, L., & Tymoczko, J. L. (2007). Bioquímica. Reverté.
- Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2007). Biología. Ed. Médica Panamericana.