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14.4: Estrutura do RNA
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RNA Structure
 
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14.4: RNA Structure

14.4: Estrutura do RNA

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.

Visão Geral

A estrutura básica do RNA consiste em um açúcar de cinco carbonos e uma de quatro bases de nitrogénio. Embora a maior parte do RNA seja de cadeia simples, ele pode formar estruturas secundárias e terciárias complexas. Tais estruturas desempenham papéis essenciais na regulação da transcrição e da tradução.

Diferentes Tipos de RNA Têm a Mesma Estrutura Básica

Existem três tipos principais de ácido ribonucleico (RNA): RNA mensageiro (mRNA), RNA de transferência (tRNA) e RNA ribossómico (rRNA). Todos os três tipos de RNA consistem em uma cadeia de nucleótidos de cadeia simples. Cada nucleótido é composto por um esqueleto de açúcar de cinco carbonos. As moléculas de carbono de ribose são numeradas de um a cinco. O carbono número cinco carrega um grupo fosfato e o carbono número um uma base de nitrogénio.

Existem quatro bases de nitrogénio no RNA—adenina (A), guanina (G), citosina (C) e uracilo (U). O uracilo é a única base do RNA que não está presente no DNA, que usa timina (T) em vez disso. Durante a transcrição, o RNA é sintetizado a partir de um molde de DNA com base na ligação complementar das novas bases de RNA às bases de DNA; A liga-se a T, G liga-se a C, C liga-se a G, e U liga-se a A.

A Montagem do RNA é Unidirecional

Como no DNA, nucleótidos adjacentes no RNA estão ligados através de ligações fosfodiéster. Estas ligações formam-se entre o grupo fosfato de um nucleótido e o grupo hidroxilo (–OH) na ribose do nucleótido adjacente.

Essa estrutura dá ao RNA a sua direcionalidade—ou seja, as duas extremidades da cadeia de nucleótidos são diferentes. O carbono número cinco da ribose carrega um grupo fosfato não ligado que dá origem ao nome terminal 5’ (ler como cinco prime). A última ribose na outra extremidade da cadeia de nucleótidos tem um grupo de hidroxilo livre (–OH) no carbono número 3; portanto, esta extremidade da molécula de RNA é chamada de terminal 3’. À medida que os nucleótidos são adicionados à cadeia durante a transcrição, o grupo fosfato de 5’ do novo nucleótido reage com o grupo hidroxilo de 3’ da cadeia em crescimento. Portanto, o RNA é sempre montado na direção de 5’ para 3’.

O RNA Pode Formar Estruturas Secundárias

As estruturas secundárias são formadas através da combinação de bases complementares entre nucleótidos distantes no mesmo RNA de cadeia simples. Hairpin loops são formados por emparelhamento complementar de bases entre 5-10 nucleótidos uns dos outros. Stem-loops são formados por emparelhamento de bases que estão separadas por 50 a centenas de nucleótidos. Em procariotas, essas estruturas secundárias funcionam como reguladores transcricionais. Por exemplo, um hairpin loop pode servir como um sinal de terminação de forma a que quando enzimas de transcrição encontram essa estrutura, elas soltam-se do mRNA e a transcrição pára. Stem-loops ou hairpin loops nos terminais 3’ ou 5’ também regulam a estabilidade do mRNA em eucariotas, impedindo a ligação de ribonucleases—enzimas que degradam o RNA.

Estruturas secundárias podem formar estruturas terciárias mais complexas chamadas pseudonós. Os pseudonós são formados quando bases nas regiões de loop de estruturas secundárias interagem com bases complementares fora do loop. Essas estruturas terciárias desempenham papéis essenciais na estrutura e função do RNA.

A Estrutura Secundária e Terciária do tRNA Permite a Síntese de Proteínas

tRNAs servem como moléculas adaptadoras durante a tradução de mRNA para proteínas. Em uma das extremidades, os tRNAs carregam um aminoácido. Na outra extremindade, eles ligam-se a um codão do mRNA—uma sequência de três nucleótidos que codifica um aminoácido específico. As moléculas de tRNA geralmente têm 70-80 nucleótidos de comprimento e dobram-se em uma estrutura de stem-loops que se assemelha a um trevo. Três dos quatro stems têm loops contendo 7-8 bases. O quarto stem não tem loop e inclui os terminais livres de 5’ e 3’ da cadeia do RNA. O terminal 3’ funciona como o local de aceitação de aminoácidos.

A estrutura tridimensional do tRNA é em forma de L, com o local de ligação de aminoácidos em uma extremidade e um anticodão na outra extremidade. Anticodões são sequências de três nucleótidos que são complementares ao codão do mRNA. Esta forma peculiar do tRNA permite que ele se ligue aos ribossomas, onde ocorre a síntese proteica.


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