Estructura química del ARN | RNA Tie Club

Con el descubrimiento de la estructura molecular del ADN de doble hélice en 1953, los investigadores se volvieron hacia la estructura de ácido ribonucleico (RNA) como el siguiente puzzle crítico a resolver en el camino a la comprensión de la base molecular de la vida. En efecto, el ARN puede ser la única molécula que inspiró la formación de un club, conocido como el RNA Tie Club, cuyos miembros incluyen Premios Nobel James Watson y Francis Crick, los descubridores de la estructura del ADN, así como Sydney Brenner, quien fue galardonado el Premio Nobel en 2002 por su trabajo relacionado con la regulación de los genes en el organismo modelo Caenorhabditis elegans. Los miembros de este club, cada uno apodado para un determinado aminoácido, intercambiaron cartas en las que se presentaron varias ideas inéditas en un intento de comprender la estructura del ARN y cómo esta molécula participa en la construcción de las proteínas. Durante los siguientes 50 años, muchas preguntas fueron contestadas, y muchas sorpresas fueron descubiertas a lo largo del camino.

Primeros descubrimientos de la estructura del ARN

Hoy en día, los investigadores saben que las células contienen una variedad de formas de ARN que incluyen ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt), y RNA ribosomal (rRNA) y cada forma está implicada en funciones y actividades diferentes. El ARNm es esencialmente una copia de una sección de ADN y sirve como molde para la fabricación de una o más proteínas. El ARNt se une tanto al ARNm como a los aminoácidos (los bloques de construcción de proteínas) y aporta los aminoácidos correctos en el crecimiento polipéptido de cadena durante la formación de la proteína, basado en la secuencia de nucleótidos de RNAm. El proceso por el cual las proteínas se construyen se denomina traducción. La traducción ocurre enlos ribosomas, que son orgánulos celulares compuestos de proteínas y RNAr.

Aunque hay varios tipos de moléculas de ARN , la estructura básica de todos los ARN es similar. Cada tipo de ARN es un polímero hecho de moléculas de ribonucleótidos individuales encadenados, siempre mediante la adición del grupo 5′-fosfato de un nucleótido en el grupo 3′-hidroxilo del anterior nucleótido. Al igual que el ADN, cada hebra de RNA tene la misma estructura básica, compuesto de bases nitrogenadas unidas covalentemente a un azúcar-fosfato como columna vertebral (Figura 1).

Figura 1: ADN consta de dos cadenas de polinucleótidos que son antiparalelas y complementarias, y el ARN consiste en una cadena de un solo nucleótido.

Sin embargo, a diferencia de ADN, el ARN es normalmente de una sola hebra. Además, el azúcar en el ARN es la ribosa en lugar de la desoxirribosa del ADN (ribosa contiene un grupo hidroxilo más en el segundo carbono), que da nombre al ácido. El ARN químicamente tiene cuatro bases nitrogenadas: adenina, citosina, uracilo y guanina. El Uracilo es un tipo de base pirimidínica que es estructuralmente similar a la timina, la pirimidina que se encuentra en el ADN. Como la timina, el uracilo se une sólo a la adenina (Figura 2).

Figure 2 : RNA has a primary and secondary structure.

Aunque el ARN es una molécula de cadena sencilla, los investigadores pronto descubrieron que se pueden formar estructuras de doble cadena, que son importantes para su función. En 1956, Alexander Rich -un cristalógrafo y miembro de la ARN Tie Club- y David Davies, trabajando en los Institutos Nacionales de la Salud, descubrieron que cadenas simples de ARN se pueden “hibridar”, se pegarían entre sí para formar un doble molécula (Rich & Davies, 1956). Más tarde, en 1960, el descubrimiento de que una molécula de RNA y una de DNA podrían formar un híbrido de doble hélice fue la primera demostración experimental de la manera en que la información puede ser transferida de ADN a ARN (Rich, 1960).

De cadenas sencillas de ARN también se pueden formar muchas estructuras secundarias en las que un único ARN molécular se dobla con formas como bucles u horquillas , estabilizadas por enlaces de hidrógeno intramoleculares entre bases complementarias. Tal apareamiento de bases de ARN es crítico para muchas funciones del ARN, tales como la capacidad del RNAt de unirse a la secuencia correcta de RNAm durante la traducción (Figura 3).

Figura 3: Maduración y arquitectura de tRNA.
La organización global de la estructura del tRNA es altamente conservadas en todas las formas de vida. Las características prominentes de la estructura del tRNA, como se muestra en la figura, se incluyen: un tallo aceptor con el trinucleótido CCA en el extremo 3 ‘(el sitio de aminoacilación y peptidation trans-reacciones en el ciclo de la biosíntesis de proteínas); un bucle D (llamado después de una modificación tándem dihidrouridina, etiquetada “D” en la figura, que se encuentra comúnmente en este bucle), un bucle anticodón que incluye el anticodón, que es un triplete de nucleótidos responsables del reconocimiento de un triplete de codificación en el ARNm, y el bucle T , llamado así por el triplete altamente conservada. Los círculos negros representan los nucleótidos que no suelen ser modificados; círculos abiertos representan los nucleótidos modificados que no sean comúnmente D, T y psi.

De hecho, Robert Holley, químico de la Universidad de Cornell, fue el primer investigador que trabajó sobre la estructura del tRNA (Holley et al. , 1965). Esta molécula resultó ser difícil de entender con la estructura que Francis Crick propuso en su llamada “hipótesis del adaptador” de 1955, una estructura que lleva los aminoácidos y los dispuso en un cierto orden que correspondía a la misma secuencia de la hebra del ácido nucleico.  En 1968, Holley fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina junto con Gobind Khorana, de la Universidad de Wisconsin, y Nirenberg Marshall, de los Institutos Nacionales de Salud. Nirenberg y Khorana idearon los experimentos claves para descifrar el código genético, en otras palabras, que las secuencias de tres nucleótidos (codones) en una molécula de RNAm codificaría los correspondientes aminoácidos en la proteína.

ARNm y su lectura

Varias formas de ARN desempeñan papeles fundamentales en el proceso de expresión génica responsable de la concreción de las instrucciones almacenadas en la secuencia de ADN de nucleótidos en cualquiera de los dos ARN o proteína que llevan a cabo actividades en la célula (Figuras 4 y 5).  El ARN mensajero (mRNA ) es particularmente importante en este proceso. El RNAm está principalmente compuesto de secuencias de codificación, es decir, que lleva la información genética para la secuencia de aminoácidos de una proteína para el ribosoma, donde se sintetiza la proteína particularmente. La estructura química del ARN | aprender ciencias en Scitable.

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