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14.7: Tipos de ARN
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Types of RNA
 
TRANSCRIPCIÓN

14.7: Types of RNA

14.7: Tipos de ARN

Overview

Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse functions and can be broadly classified as protein-coding or non-coding RNA. Non-coding RNAs play important roles in the regulation of gene expression in response to developmental and environmental changes. Non-coding RNAs in prokaryotes can be manipulated to develop more effective antibacterial drugs for human or animal use.

RNA Performs Diverse but Cooperative Functions During Protein Synthesis

The central dogma of molecular biology states that DNA contains the information that encodes proteins and RNA uses this information to direct protein synthesis. Different types of RNA are involved in protein synthesis. Based on whether or not they encode proteins, RNA is broadly classified as protein-coding or non-coding RNA.

Messenger RNA (mRNA) is the protein-coding RNA. It consists of codons—sequences of three nucleotides that encode a specific amino acid. Transfer RNA (tRNA) and ribosomal RNA (rRNA) are non-coding RNA. tRNA acts as an adaptor molecule that reads the mRNA sequence and places amino acids in the correct order in the growing polypeptide chain. rRNA and other proteins make up the ribosome—the seat of protein synthesis in the cell. During translation, ribosomes move along an mRNA strand where they stabilize the binding of tRNA molecules and catalyze the formation of peptide bonds between amino acids. Thus, different types of RNA perform specific but complementary functions during protein synthesis.

Non-coding RNAs in Eukaryotes Regulate Gene Expression

Non-coding RNAs other than tRNA and rRNA were initially considered to be “genomic junk” since they did not encode proteins. However, their roles in regulating gene expression were discovered over the past few decades and continue to be extensively researched. Based on their length, non-coding RNAs may be classified as small regulatory RNAs (< 100 nucleotides) or long non-coding RNAs (> 200 nucleotides).

Both small regulatory RNAs and long non-coding RNAs regulate gene expression by altering various stages of transcription and translation. Non-coding RNAs affect mRNA splicing—removal of protein non-coding segments and joining the protein coding sequences. In this manner, they control the formation of different protein variants from a single gene. Small regulatory RNAs such as microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs) bind to complementary sequences on mRNA and inhibit protein synthesis either by blocking the access of the translation machinery to the mRNA or by degrading the mRNA itself. Long non-coding RNAs interact with and recruit enzymes that chemically modify DNA and histones — proteins that help package DNA into the nucleus — to either activate or repress transcription.

Non-coding RNAs in Prokaryotes Act as Environmental Sensors

RNA-mediated regulation of gene expression is widespread in bacteria. Regulatory sequences in mRNA—called riboswitches—act as environmental sensors by detecting changes in temperature and nutrient levels.

Riboswitch-based regulation depends on the formation of two mutually exclusive and stable conformations of the RNA secondary structure. The secondary structure switches between the two conformations to turn gene expression on or off in response to environmental changes. For example, when the bacteria Listeria monocytogenes infects a host, the higher body temperature of the host breaks down the secondary structure in the 5’ untranslated region of the bacterial mRNA. This exposes a ribosome-binding site on the mRNA and initiates protein translation, enabling the bacteria to live and grow within the host organism.

Riboswitches Can Be Manipulated to Develop Effective Antibacterials

Some riboswitches detect end products of metabolic pathways and serve as feedback controls for transcription or translation. For instance, the thiamine pyrophosphate riboswitch regulates thiamine biosynthesis in bacteria. When an adequate concentration of thiamine has been synthesized, it binds to the riboswitch and changes its conformation. This change in conformation blocks the translation initiation site and stops protein synthesis.

Compounds that closely resemble thiamine in structure are being studied as potential antibacterial agents. These drugs are intended to bind the riboswitch in the absence of thiamine and cause a conformational change that blocks translation of proteins required for thiamine biosynthesis. Since the bacteria will be unable to produce this nutrient, it will stop growing and eventually die. As riboswitches are more commonly found in prokaryotes than eukaryotes, riboswitch-targeting antibacterials would have minimal adverse effects on mammalian hosts.

Visión general

Tres tipos principales de ARN están involucrados en la síntesis de proteínas: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARN) y ARN ribosomal (ARN). Estos ARN realizan diversas funciones y pueden clasificarse ampliamente como ARN de codificación de proteínas o no codificantes. Los ARN no codificantes desempeñan un papel importante en la regulación de la expresión génica en respuesta a los cambios en el desarrollo y el medio ambiente. Los ARN no codificantes en los prokaryotes pueden ser manipulados para desarrollar fármacos antibacterianos más eficaces para uso humano o animal.

El ARN realiza funciones diversas pero cooperativas durante la síntesis de proteínas

El dogma central de la biología molecular afirma que el ADN contiene la información que codifica proteínas y ARN utiliza esta información para dirigir la síntesis de proteínas. Diferentes tipos de ARN están involucrados en la síntesis de proteínas. En función de si codifican o no proteínas, el ARN se clasifica ampliamente como ARN codificador de proteínas o no codificantes.

El ARN mensajero (ARNm) es el ARN que codifica proteínas. Consiste en codones, secuencias de tres nucleótidos que codifican un aminoácido específico. El ARN de transferencia (ARN) y el ARN ribosomal (ARN) son ARN no codificantes. TRNA actúa como una molécula adaptadora que lee la secuencia de ARNm y coloca los aminoácidos en el orden correcto en la cadena de polipéptidos en crecimiento. RRNA y otras proteínas componen el ribosoma, el asiento de la síntesis de proteínas en la célula. Durante la traducción, los ribosomas se mueven a lo largo de una hebra de ARNm donde estabilizan la unión de moléculas de ARNm y catalizan la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos. Por lo tanto, diferentes tipos de ARN realizan funciones específicas pero complementarias durante la síntesis de proteínas.

RNA no codificantes en Eukaryotes Regulan la expresión génica

Los ARN no codificantes distintos del ARN y el ARNR se consideraron inicialmente como "basura genómica", ya que no codificaban proteínas. Sin embargo, sus funciones en la regulación de la expresión génica fueron descubiertas en las últimas décadas y continúan siendo ampliamente investigadas. En función de su longitud, los ARN no codificantes pueden clasificarse como pequeños ARN reglamentarios (< 100 nucleótidos) o ARN no codificantes largos (> 200 nucleótidos).

Tanto los pequeños ARN reguladores como los largos ARN no codificantes regulan la expresión génica al alterar varias etapas de transcripción y traducción. Los ARN no codificantes afectan el empalme de ARN: eliminación de segmentos no codificantes de proteínas y unión de las secuencias de codificación de proteínas. De esta manera, controlan la formación de diferentes variantes proteicas a partir de un solo gen. Los arnes reguladores pequeños, como los microRNAs (miRNAs) y los pequeños ARN interferentes (SIRNAs), se unen a secuencias complementarias sobre el ARNm e inhiben la síntesis de proteínas, ya sea bloqueando el acceso de la maquinaria de traducción al ARNm o degradando el ARNm en sí. Los ARN largos no codificantes interactúan y reclutan enzimas que modifican químicamente el ADN y las histonas (proteínas que ayudan a empaquetar el ADN en el núcleo) para activar o reprimir la transcripción.

ARN no codificantes en la Ley de Prokaryotes como Sensores Ambientales

La regulación mediada por el ARN de la expresión génica está muy extendida en las bacterias. Las secuencias regulatorias en el ARNm, llamadas riboswitches, actúan como sensores ambientales mediante la detección de cambios en los niveles de temperatura y nutrientes.

La regulación basada en riboswitch depende de la formación de dos conformaciones mutuamente excluyentes y estables de la estructura secundaria del ARN. La estructura secundaria cambia entre las dos conformaciones para activar o desactivar la expresión génica en respuesta a los cambios ambientales. Por ejemplo, cuando la bacteria Listeria monocytogenes infecta a un huésped, la temperatura corporal más alta del huésped descompone la estructura secundaria en la región no traducible de 5' del ARNm bacteriano. Esto expone un sitio de unión a ribosomas en el ARNm e inicia la traducción de proteínas, lo que permite a las bacterias vivir y crecer dentro del organismo huésped.

Los riboswitches pueden ser manipulados para desarrollar antibacterianos eficaces

Algunos riboswitches detectan productos finales de vías metabólicas y sirven como controles de retroalimentación para la transcripción o traducción. Por ejemplo, el riboswitch pirofosfato de tiamina regula la biosíntesis de tiamina en bacterias. Cuando se ha sintetizado una concentración adecuada de tiamina, se une al riboswitch y cambia su conformación. Este cambio en la conformación bloquea el sitio de iniciación de la traducción y detiene la síntesis de proteínas.

Compuestos que se asemejan mucho a la tiamina en la estructura se están estudiando como posibles agentes antibacterianos. Estos medicamentos están destinados a unir el riboswitch en ausencia de tiamina y causar un cambio conformación que bloquea la traducción de proteínas necesarias para la biosíntesis de tiamina. Dado que las bacterias serán incapaces de producir este nutriente, dejará de crecer y eventualmente morirá. Como los riboswitches se encuentran más comúnmente en los prokaryotes que los eucariotas, los antibacterianos riboswitch-targeting tendrían efectos adversos mínimos en los huéspedes de mamíferos.


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