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14.4: Estructura del ARN
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RNA Structure
 
TRANSCRIPCIÓN

14.4: RNA Structure

14.4: Estructura del ARN

Overview

The basic structure of RNA consists of a five-carbon sugar and one of four nitrogenous bases. Although most RNA is single-stranded, it can form complex secondary and tertiary structures. Such structures play essential roles in the regulation of transcription and translation.

Different Types of RNA Have the Same Basic Structure

There are three main types of ribonucleic acid (RNA): messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). All three RNA types consist of a single-stranded chain of nucleotides. Each nucleotide is composed of the five-carbon sugar ribose. The carbon molecules of ribose are numbered one through five. Carbon number five carries a phosphate group and carbon number one a nitrogenous base.

There are four nitrogenous bases in RNA—adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and uracil (U). Uracil is the only base in RNA that is not present in DNA, which uses thymine (T) instead. During transcription, RNA is synthesized from a DNA template based on complementary binding of the new RNA bases to the DNA bases; A binds to T, G binds to C, C binds to G, and U binds to A.

RNA Assembly Is Unidirectional

Like DNA, adjacent nucleotides in RNA are linked together through phosphodiester bonds. These bonds form between the phosphate group of one nucleotide and a hydroxyl (–OH) group on the ribose of the adjacent nucleotide.

This structure lends RNA its directionality—that is, the two ends of the chain of nucleotides are different. Carbon number five of ribose carries an unbound phosphate group which gives rise to the name 5’ end (read five prime). The last ribose at the other end of the nucleotide chain has a free hydroxyl (–OH) group at carbon number 3; hence, this end of the RNA molecule is called 3’ end. As nucleotides are added to the chain during transcription, the 5’ phosphate group of the new nucleotide reacts with the 3’ hydroxyl group of the growing chain. Therefore, RNA is always assembled in the 5’ to 3’ direction.

RNA Can Form Secondary Structures

Secondary structures are formed by complementary base pairing between distant nucleotides on the same single-stranded RNA. Hairpin loops are formed by complementary pairing of bases within 5-10 nucleotides of each other. Stem-loops are formed by pairing of bases that are separated by 50 to hundreds of nucleotides. In prokaryotes, these secondary structures function as transcriptional regulators. For instance, a hairpin loop can serve as a termination signal such that when transcription enzymes encounter this structure, they detach from the mRNA and transcription stops. Stem-loops or hairpin loops at the 3’ or 5’ ends also regulate mRNA stability in eukaryotes by preventing the binding of ribonucleases—enzymes that degrade RNA.

Secondary structures can form more complicated tertiary structures called pseudoknots. Pseudoknots are formed when bases in the loop regions of secondary structures interact with complementary bases outside the loop. These tertiary structures play essential roles in RNA structure and function.

The Secondary and Tertiary Structure of tRNA Enables Protein Synthesis

tRNAs serve as adaptor molecules during the translation of mRNA into proteins. At one end, tRNAs carry an amino acid. At the other end, they bind to an mRNA codon—a sequence of three nucleotides that encodes a specific amino acid. tRNA molecules are usually 70-80 nucleotides long and fold into a stem-loop structure that resembles a cloverleaf. Three of the four stems have loops containing 7-8 bases. The fourth stem is unlooped and includes the free 5’ and 3’ ends of the RNA strand. The 3’ end acts as the amino acid acceptor site.

The three-dimensional structure of tRNA is L-shaped, with the amino acid binding site at one end and an anticodon at the other end. Anticodons are sequences of three nucleotides that are complementary to the mRNA codon. This peculiar shape of the tRNA enables it to bind to ribosomes, where protein synthesis occurs.

Visión general

La estructura básica del ARN consiste en un azúcar de cinco carbonos y una de las cuatro bases nitrogenadas. Aunque la mayoría del ARN es de una sola cadena, puede formar estructuras secundarias y terciarias complejas. Estas estructuras desempeñan un papel esencial en la regulación de la transcripción y la traducción.

Diferentes tipos de ARN tienen la misma estructura básica

Existen tres tipos principales de ácido ribonucleico (ARN): ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARN) y ARN ribosomal (ARN). Los tres tipos de ARN consisten en una cadena de nucleótidos de una sola cadena. Cada nucleótido se compone de la ribosa de azúcar de cinco carbonos. Las moléculas de carbono de la ribosa están numeradas del uno al cinco. El carbono número cinco lleva un grupo de fosfato y el carbono número uno una base nitrogenosa.

Hay cuatro bases nitrogenadas en ARN: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U). Uracil es la única base en el ARN que no está presente en el ADN, que utiliza timina (T) en su lugar. Durante la transcripción, el ARN se sintetiza a partir de una plantilla de ADN basada en la unión complementaria de las nuevas bases de ARN a las bases de ADN; A se une a T, G se une a C, C se une a G y U se une a A.

El ensamblaje de ARN es unidireccional

Al igual que el ADN, los nucleótidos adyacentes en el ARN se unen a través de enlaces fosfodiester. Estos enlaces se forman entre el grupo fosfato de un nucleótido y un grupo de hidroxilo (-OH) en la ribosa del nucleótido adyacente.

Esta estructura le da al ARN su direccionalidad, es decir, los dos extremos de la cadena de nucleótidos son diferentes. El carbono número cinco de ribosa lleva un grupo de fosfato sin consolidar que da lugar al nombre 5' extremo (leer cinco primos). El último ribosa en el otro extremo de la cadena de nucleótidos tiene un grupo de hidroxilo libre (–OH) en el carbono número 3; por lo tanto, este extremo de la molécula de ARN se llama extremo 3'. A medida que se añaden nucleótidos a la cadena durante la transcripción, el grupo de fosfato de 5' del nuevo nucleótido reacciona con el grupo hidroxilo de 3' de la cadena en crecimiento. Por lo tanto, el ARN siempre se monta en la dirección de 5' a 3'.

El ARN puede formar estructuras secundarias

Las estructuras secundarias se forman mediante el emparejamiento base complementario entre nucleótidos distantes en el mismo ARN de una sola cadena. Los bucles de horquilla están formados por el emparejamiento complementario de bases dentro de 5-10 nucleótidos entre sí. Los bucles de tallo se forman mediante el emparejamiento de bases separadas por 50 a cientos de nucleótidos. En los prokaryotes, estas estructuras secundarias funcionan como reguladores transcripcionales. Por ejemplo, un bucle de horquilla puede servir como una señal de terminación de tal manera que cuando las enzimas de transcripción encuentran esta estructura, se separan del ARNm y la transcripción se detiene. Los bucles de tallo o horquilla en los extremos de 3' o 5' también regulan la estabilidad del ARNm en los eucariotas al evitar la unión de ribonucleasas, enzimas que degradan el ARN.

Las estructuras secundarias pueden formar estructuras terciarias más complicadas llamadas pseudoknots. Los pseudoknots se forman cuando las bases de las regiones de bucle de las estructuras secundarias interactúan con bases complementarias fuera del bucle. Estas estructuras terciarias desempeñan un papel esencial en la estructura y función del ARN.

La estructura secundaria y terciaria del TRNA permite la síntesis de proteínas

Los ARN sirven como moléculas adaptadoras durante la traducción del ARNm en proteínas. En un extremo, los tRNAs llevan un aminoácido. En el otro extremo, se unen a un codón de ARNm, una secuencia de tres nucleótidos que codifica un aminoácido específico. Las moléculas de tRNA son generalmente 70-80 nucleótidos de largo y se pliegan en una estructura de bucle de tallo que se asemeja a una hoja de trébol. Tres de los cuatro tallos tienen bucles que contienen 7-8 bases. El cuarto tallo está sin sellar e incluye los extremos libres de 5' y 3' de la hebra de ARN. El extremo 3' actúa como el sitio del aceptador de aminoácidos.

La estructura tridimensional del ARN es en forma de L, con el sitio de unión de aminoácidos en un extremo y un anticodon en el otro extremo. Los Anticodons son secuencias de tres nucleótidos que son complementarios al codón de ARNm. Esta forma peculiar del ARN permite que se una a los ribosomas, donde se produce la síntesis de proteínas.


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