ARN: CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC VÀ KIỂU - SINH HỌC - 2024

Các RNA hoặc RNA (ribonucleic acid) là một loại mặt axit nucleic trong tế bào eukaryote, prokaryote và virus. Nó là một polyme nucleotide có chứa bốn loại bazơ nitơ trong cấu trúc của nó: adenin, guanin, cytosine và uracil.

RNA thường được tìm thấy dưới dạng một dải đơn (ngoại trừ một số virus), theo kiểu tuyến tính hoặc trong một chuỗi cấu trúc phức tạp. Trên thực tế, RNA có tính năng động về cấu trúc mà không được quan sát thấy trong chuỗi xoắn kép DNA. Các loại RNA khác nhau có chức năng rất đa dạng.

RNA ribosome là một phần của ribosome, cấu trúc chịu trách nhiệm tổng hợp protein trong tế bào. Các RNA sứ giả có chức năng như vật trung gian và mang thông tin di truyền đến ribosome, giúp dịch thông điệp từ trình tự nucleotide sang trình tự axit amin.

RNA vận chuyển chịu trách nhiệm kích hoạt và chuyển các loại axit amin khác nhau - tổng cộng -20 - đến ribosome. Có một phân tử RNA chuyển cho mỗi axit amin nhận biết trình tự trong RNA thông tin.

Ngoài ra, còn có các loại ARN khác không trực tiếp tham gia tổng hợp prôtêin và tham gia điều hòa gen.

Kết cấu

Các đơn vị cơ bản của RNA là nucleotide. Mỗi nucleotide được tạo thành từ một bazơ nitơ (adenin, guanin, cytosine và uracil), một đường pentose và một nhóm photphat.

Nucleotides

Bazơ nitơ có nguồn gốc từ hai hợp chất cơ bản: pyrimidin và purin.

Các bazơ có nguồn gốc từ purin là adenin và guanin và các bazơ có nguồn gốc từ pyrimidin là cytosine và uracil. Mặc dù đây là những bazơ phổ biến nhất, nhưng axit nucleic cũng có thể có những loại bazơ khác ít phổ biến hơn.

Đối với pentose, chúng là đơn vị của d-ribose. Do đó, các nucleotide tạo nên RNA được gọi là "ribonucleotide".

Chuỗi RNA

Các nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết hóa học có sự tham gia của nhóm phosphate. Để hình thành chúng, nhóm phosphate ở đầu 5 ′ của một nucleotide được gắn với nhóm hydroxyl (–OH) ở đầu 3 ′ của nucleotide tiếp theo, do đó tạo ra một liên kết giống như phosphodiester.

Dọc theo chuỗi axit nucleic, các liên kết photphodiester có cùng định hướng. Do đó, có sự phân cực của sợi, phân biệt giữa đầu 3 ′ và đầu 5 ′.

Theo quy ước, cấu trúc của axit nucleic được biểu diễn bằng đầu 5 ′ ở bên trái và đầu 3 ′ ở bên phải.

Sản phẩm RNA của quá trình phiên mã DNA là một dải sợi đơn quay sang phải, theo hình xoắn ốc bởi sự xếp chồng của các base. Tương tác giữa các purin lớn hơn nhiều so với tương tác giữa hai pyrimidin, do kích thước của chúng.

Trong RNA, không thể nói về cấu trúc thứ cấp truyền thống và tham chiếu, chẳng hạn như chuỗi xoắn kép của DNA. Cấu trúc ba chiều của mỗi phân tử RNA là duy nhất và phức tạp, có thể so sánh với cấu trúc của protein (về mặt logic, chúng ta không thể toàn cầu hóa cấu trúc của protein).

Lực lượng ổn định RNA

Có những tương tác yếu góp phần vào sự ổn định của RNA, đặc biệt là sự xếp chồng bazơ, nơi các vòng nằm chồng lên nhau. Hiện tượng này cũng góp phần vào sự ổn định của chuỗi xoắn DNA.

Nếu phân tử RNA tìm thấy một trình tự bổ sung, chúng có thể bắt cặp và tạo thành cấu trúc sợi kép quay sang phải. Dạng chủ yếu là loại A; Đối với các dạng Z, chúng chỉ được chứng minh trong phòng thí nghiệm, trong khi dạng B chưa được quan sát.

Nói chung, có những trình tự ngắn (chẳng hạn như UUGG) nằm ở cuối RNA và có đặc điểm riêng là tạo thành các vòng ổn định. Trình tự này tham gia vào quá trình gấp cấu trúc ba chiều của RNA.

Ngoài ra, các liên kết hydro có thể hình thành ở các vị trí khác với các cặp bazơ điển hình (AU và CG). Một trong những tương tác này xảy ra giữa 2'-OH của ribose với các nhóm khác.

Việc làm sáng tỏ các cấu trúc khác nhau được tìm thấy trong RNA đã giúp chứng minh nhiều chức năng của axit nucleic này.

Các loại và chức năng RNA

Có hai loại RNA: thông tin và chức năng. Nhóm thứ nhất bao gồm các RNA tham gia vào quá trình tổng hợp protein và có chức năng là trung gian trong quá trình này; RNA thông tin là RNA thông tin.

Ngược lại, các ARN thuộc lớp thứ hai, các loại chức năng, không tạo ra phân tử protein mới và bản thân ARN là sản phẩm cuối cùng. Đây là các RNA vận chuyển và RNA ribosome.

Trong tế bào động vật có vú, 80% RNA là RNA ribosome, 15% là RNA vận chuyển, và chỉ một phần nhỏ tương ứng với RNA thông tin. Ba loại này hoạt động hợp tác để đạt được quá trình sinh tổng hợp protein.

Ngoài ra còn có các RNA hạt nhân nhỏ, RNA tế bào chất nhỏ và microRNA, trong số những RNA khác. Mỗi loại quan trọng nhất sẽ được mô tả chi tiết dưới đây:

Sứ giả RNA

Ở sinh vật nhân thực, DNA được giới hạn trong nhân, trong khi quá trình tổng hợp protein xảy ra trong tế bào chất của tế bào, nơi có các ribosome. Do sự ngăn cách không gian này cần phải có chất trung gian mang thông điệp từ nhân ra tế bào chất và phân tử đó là ARN thông tin.

Messenger RNA, viết tắt là mRNA, là một phân tử trung gian chứa thông tin được mã hóa trong DNA và xác định trình tự axit amin sẽ tạo ra một protein chức năng.

Thuật ngữ RNA thông tin được François Jacob và Jacques Monod đề xuất vào năm 1961 để mô tả phần RNA truyền thông điệp từ DNA đến ribosome.

Quá trình tổng hợp mRNA từ sợi DNA được gọi là quá trình phiên mã và nó xảy ra khác nhau giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

Sự biểu hiện gen bị chi phối bởi một số yếu tố và phụ thuộc vào nhu cầu của từng tế bào. Phiên mã được chia thành ba giai đoạn: bắt đầu, kéo dài và kết thúc.

Phiên mã

Quá trình sao chép DNA, xảy ra trong mỗi lần phân bào, sao chép toàn bộ nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, quá trình phiên mã có tính chọn lọc cao hơn nhiều, nó chỉ xử lý các đoạn cụ thể của sợi DNA và không cần mồi.

Ở Escherichia coli - vi khuẩn được nghiên cứu tốt nhất trong khoa học sự sống - quá trình phiên mã bắt đầu bằng sự tháo xoắn của chuỗi xoắn kép DNA và vòng phiên mã được hình thành. Enzyme RNA polymerase chịu trách nhiệm tổng hợp RNA và khi quá trình phiên mã tiếp tục, sợi DNA trở lại hình dạng ban đầu.

Bắt đầu, kéo dài và kết thúc

Phiên mã không được bắt đầu tại các vị trí ngẫu nhiên trên phân tử DNA; có các vị trí chuyên biệt cho hiện tượng này, được gọi là các chất xúc tiến. Ở E. coli, RNA polymerase được ghép nối với một vài cặp bazơ phía trên vùng đích.

Các trình tự mà các yếu tố phiên mã được ghép nối khá bảo tồn giữa các loài khác nhau. Một trong những chuỗi promoter được biết đến nhiều nhất là hộp TATA.

Trong quá trình kéo dài, enzyme RNA polymerase thêm nucleotide mới vào đầu 3'-OH, theo hướng 5 'đến 3'. Nhóm hydroxyl hoạt động như một nucleophile, tấn công alpha phosphate của nucleotide được thêm vào. Phản ứng này giải phóng một pyrophosphat.

Chỉ một trong số các sợi DNA được sử dụng để tổng hợp RNA thông tin, RNA này được sao chép theo hướng 3 'đến 5' (dạng phản song song của sợi RNA mới). Nuclêôtít được thêm vào phải tuân theo sự kết cặp cơ sở: U kết đôi với A, G với C.

RNA polymerase dừng quá trình khi nó tìm thấy các vùng giàu cytosine và guanine. Cuối cùng, phân tử RNA thông tin mới được tách ra khỏi phức hợp.

Phiên mã ở sinh vật nhân sơ

Ở sinh vật nhân sơ, một phân tử RNA thông tin có thể mã cho nhiều hơn một loại protein.

Khi một mRNA mã hóa riêng cho một protein hoặc polypeptide, nó được gọi là monocistronic mRNA, nhưng nếu nó mã hóa cho nhiều hơn một sản phẩm protein, thì mRNA là polycistronic (lưu ý rằng trong ngữ cảnh này, thuật ngữ cistron dùng để chỉ gen).

Phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn

Ở các sinh vật nhân chuẩn, phần lớn các mRNA là monocistronic và bộ máy phiên mã phức tạp hơn nhiều trong dòng sinh vật này. Chúng được đặc trưng bởi có ba RNA polymerase, ký hiệu là I, II và III, mỗi loại có chức năng cụ thể.

Bộ phận I phụ trách tổng hợp tiền rARN, bộ phận II tổng hợp các ARN thông tin và một số ARN đặc biệt. Cuối cùng, III phụ trách các RNA vận chuyển, 5S ribosome và các RNA nhỏ khác.

Messenger RNA ở sinh vật nhân chuẩn

RNA sứ giả trải qua một loạt các sửa đổi cụ thể ở sinh vật nhân chuẩn. Đầu tiên liên quan đến việc thêm một "nắp" vào cuối 5 ′. Về mặt hóa học, phần đầu là phần dư 7-metylguanosine được gắn vào đầu bằng liên kết 5 ', 5'-triphosphat.

Vai trò của vùng này là bảo vệ RNA khỏi sự suy thoái có thể xảy ra bởi ribonuclease (enzyme phân hủy RNA thành các thành phần nhỏ hơn).

Ngoài ra, sự loại bỏ cuối 3 ′ xảy ra và 80 đến 250 dư lượng adenine được thêm vào. Cấu trúc này được gọi là "đuôi" polyA và phục vụ như một vị trí liên kết cho các protein khác nhau. Khi một prokaryote có được đuôi polyA, nó có xu hướng kích thích sự thoái hóa của nó.

Mặt khác, sứ giả này được phiên âm với các intron. Intron là trình tự DNA không phải là một phần của gen nhưng "ngắt" trình tự đó. Intron không được dịch và do đó phải được loại bỏ khỏi sứ giả.

Hầu hết các gen của động vật có xương sống đều có intron, ngoại trừ gen mã hóa histon. Tương tự, số lượng intron trong một gen có thể thay đổi từ vài đến hàng chục.

Nối

Quá trình cắt hoặc nối RNA liên quan đến việc loại bỏ các intron trong RNA thông tin.

Một số intron được tìm thấy trong gen nhân hoặc gen ti thể có thể thực hiện quá trình nối mà không cần sự trợ giúp của enzym hoặc ATP. Thay vào đó, quá trình này được thực hiện bằng các phản ứng transesterification. Cơ chế này được phát hiện ở động vật nguyên sinh có lông mao là Tetrahymena thermophila.

Ngược lại, có một nhóm sứ giả khác không có khả năng làm trung gian nối của chính họ, vì vậy họ cần thêm máy móc. Một số lượng khá lớn các gen hạt nhân thuộc nhóm này.

Quá trình nối được thực hiện bởi một phức hợp protein được gọi là một spliceosome hoặc phức hợp nối. Hệ thống này được tạo thành từ các phức hợp RNA chuyên biệt được gọi là ribonucleoprotein hạt nhân nhỏ (RNPs).

Có năm loại RNP: U1, U2, U4, U5 và U6, được tìm thấy trong hạt nhân và là trung gian của quá trình nối.

Quá trình nối có thể tạo ra nhiều hơn một loại protein - đây được gọi là quá trình nối thay thế - vì các exon được sắp xếp khác nhau, tạo ra nhiều loại RNA thông tin.

RNA ribosome

RNA ribosome, viết tắt là rRNA, được tìm thấy trong ribosome và tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein. Do đó, nó là thành phần thiết yếu của tất cả các tế bào.

RNA ribosome liên kết với các phân tử protein (khoảng 100) để tạo ra tiền đơn vị của ribosome. Chúng được phân loại tùy thuộc vào hệ số lắng của chúng, được ký hiệu bằng chữ S cho đơn vị Svedberg.

Ribosome được tạo thành từ hai phần: tiểu đơn vị chính và tiểu đơn vị phụ. Cả hai tiểu đơn vị khác nhau giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực về hệ số lắng.

Sinh vật nhân sơ có một tiểu đơn vị lớn 50S và một tiểu đơn vị nhỏ 30S, trong khi ở sinh vật nhân thực, tiểu đơn vị lớn là 60S và tiểu đơn vị nhỏ 40S.

Các gen mã hóa RNA ribosome nằm trong nucleolus, một khu vực cụ thể của nhân không được bao bọc bởi màng. RNA của ribosome được phiên mã trong vùng này bởi RNA polymerase I.

Trong tế bào tổng hợp một lượng lớn protein; nucleolus là một cấu trúc nổi bật. Tuy nhiên, khi tế bào được đề cập không yêu cầu một số lượng lớn các sản phẩm protein, thì nucleolus là một cấu trúc gần như không thể nhận biết được.

MicroRNA

MicroRNA hay miRNA là một loại RNA ngắn, mạch đơn, có từ 21 đến 23 nucleotide, có chức năng điều hòa sự biểu hiện của gen. Vì nó không được dịch mã thành protein nên nó thường được gọi là RNA không mã hóa.

Giống như các loại RNA khác, quá trình xử lý microRNA rất phức tạp và liên quan đến một số loại protein.

Các microRNA phát sinh từ các tiền chất dài hơn gọi là mi-priRNA, có nguồn gốc từ bản sao đầu tiên của gen. Trong nhân tế bào, những tiền chất này được sửa đổi trong phức hợp vi xử lý và kết quả là một tiền miRNA.

Pre-miRNA là 70 nucleotide kẹp tóc tiếp tục được xử lý trong tế bào chất bởi một enzyme gọi là Dicer, enzyme này lắp ráp phức hợp im lặng do RNA cảm ứng (RISC) và cuối cùng là miRNA được tổng hợp.

Các RNA này có khả năng điều chỉnh sự biểu hiện của gen, vì chúng bổ sung cho các RNA thông tin cụ thể. Bằng cách giao phối với mục tiêu của chúng, miRNA có thể ngăn chặn chất truyền tin, hoặc thậm chí làm suy giảm nó. Do đó, ribosome không thể dịch bản sao nói trên.

RNA im lặng

Một loại microRNA cụ thể là các RNA can thiệp nhỏ (siRNA), còn được gọi là RNA im lặng. Chúng là những RNA ngắn, từ 20 đến 25 nucleotide, cản trở sự biểu hiện của một số gen nhất định.

Chúng là những công cụ rất hứa hẹn để nghiên cứu, vì chúng có thể làm im lặng một gen quan tâm và do đó nghiên cứu chức năng khả thi của nó.

Sự khác biệt giữa DNA và RNA

Mặc dù DNA và RNA đều là axit nucleic và thoạt nhìn có thể rất giống nhau, nhưng chúng khác nhau về một số đặc tính hóa học và cấu trúc. DNA là phân tử băng kép, còn RNA là phân tử băng đơn.

Như vậy, RNA là một phân tử linh hoạt hơn và có thể có nhiều hình dạng ba chiều. Tuy nhiên, một số loại virus nhất định có RNA băng kép trong vật liệu di truyền của chúng.

Trong các nucleotide RNA, phân tử đường là một ribose, trong khi trong DNA, nó là một deoxyribose, chỉ khác ở chỗ có nguyên tử oxy.

Liên kết phosphodiester trong xương sống của DNA và RNA dễ trải qua quá trình thủy phân chậm mà không có sự hiện diện của enzyme. Trong điều kiện kiềm, RNA thủy phân nhanh chóng - nhờ có thêm nhóm hydroxyl - trong khi DNA thì không.

Tương tự, các bazơ nitơ tạo nên nucleotide trong DNA là guanin, adenin, thymine và cytosine; ngược lại, trong RNA, thymine được thay thế bằng uracil. Uracil có thể bắt cặp với adenine, theo cách tương tự như thymine trong DNA.

Nguồn gốc và sự tiến hóa

RNA là phân tử duy nhất được biết đến có khả năng lưu trữ thông tin và xúc tác đồng thời các phản ứng hóa học; Vì lý do này, một số tác giả đề xuất rằng phân tử RNA là rất quan trọng trong nguồn gốc của sự sống. Đáng ngạc nhiên, chất nền cho ribosome là các phân tử RNA khác.

Việc phát hiện ra ribozyme dẫn đến định nghĩa lại sinh hóa của "enzyme" - trước đây thuật ngữ này được dùng riêng cho các protein có hoạt tính xúc tác- và giúp hỗ trợ một kịch bản trong đó các dạng sống đầu tiên chỉ sử dụng RNA làm vật liệu di truyền.

Người giới thiệu

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (Năm 2002). Sinh học phân tử của tế bào. Phiên bản thứ 4. New York: Khoa học Garland. Từ DNA đến RNA. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Hóa sinh. Tôi đã đảo ngược.
3. Campbell, NA và Reece, JB (2007). Sinh học . Panamerican Medical Ed.
4. Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH, et al. (1999). Phân tích di truyền hiện đại. New York: WH Freeman. Gen và ARN. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, AC, Hall, JE, & Guyton, AC (2006). Điều trị sinh lý y tế. Elsevier.
6. Hall, JE (2015). Guyton và Hall giáo trình sinh lý y học e - Sách. Khoa học sức khỏe Elsevier.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000) Sinh học tế bào phân tử. Phiên bản thứ 4. New York: WH Freeman. Phần 11.6, Xử lý rRNA và tRNA. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Các nguyên tắc của Lehninger về hóa sinh. Macmillan.