++
El ácido ribonucleico (RNA) es un polímero de purina y pirimidina ribonucleótidos unidos entre sí por enlaces 3ʹ,5ʹ-fosfodiéster análogos a los que están en el DNA (figura 34-6). Aun cuando comparte muchas características con el DNA, el RNA posee varias diferencias específicas:
++
++
En el RNA, la parte azúcar a la cual los fosfatos y las bases purina y pirimidina están fijos es ribosa en lugar de la 2ʹ-desoxirribosa del DNA.
Los componentes pirimidina del RNA difieren de los del DNA. Si bien el RNA contiene los ribonucleótidos de adenina, guanina y citosina, no posee timina excepto en el raro caso que se menciona más adelante. En lugar de timina, el RNA contiene el ribonucleótido de uracilo.
El RNA típicamente existe como una cadena única, mientras que el DNA como una molécula helicoidal bicatenaria. Empero, dada la secuencia de bases complementaria apropiada con polaridad opuesta, la cadena única de RNA —como se demuestra en la figura 34-7 y la figura 34-11— tiene la capacidad de plegarse sobre sí misma a manera de horquilla y, de este modo, adquirir características bicatenarias: G que forma pares con C, y A con U.
Puesto que la molécula de RNA es una cadena única complementaria a sólo una de las dos cadenas de un gen, su contenido de guanina no necesariamente es igual a su contenido de citosina, ni su contenido de adenina es necesariamente igual a su contenido de uracilo.
Los álcalis pueden hidrolizar al RNA hacia diésteres 2ʹ,3ʹ cíclicos de los mononucleótidos, compuestos que no se pueden formar a partir de DNA tratado con álcali debido a la ausencia de un grupo 2ʹ-hidroxilo. La labilidad del RNA a álcali es útil con fines tanto diagnósticos como analíticos.
++
++
La información dentro de la cadena única de RNA está contenida en su secuencia (“estructura primaria”) de nucleótidos purina y pirimidina dentro del polímero. La secuencia es complementaria a la cadena plantilla del gen a partir del cual se transcribió. Debido a esta complementariedad, una molécula de RNA puede unirse de manera específica por medio de las reglas de formación de pares de bases a su cadena de DNA plantilla (A-T, G-C, C-G, U-A; la base del RNA va en negritas); no se unirá (“hibridará”) con la otra cadena (codificadora) de su gen. La secuencia de la molécula de RNA (salvo por U que reemplaza a T) es la misma que la de la cadena codificadora del gen (figura 34-8).
++
+++
Casi todas las especies de RNA estable, abundante, participan en algún aspecto de la síntesis de proteína
++
Las moléculas de RNA citoplásmico que sirven como plantillas para la síntesis de proteína (es decir, que transfieren información genética desde el DNA hacia la maquinaria sintetizadora de proteína) se designan RNA mensajeros, o mRNA. Muchas otras moléculas de RNA citoplásmicas muy abundantes (RNA ribosómicos; rRNA) tienen funciones estructurales en donde contribuyen a la formación y función de ribosomas (la maquinaria en el ámbito de organelo para la síntesis de proteína) o sirven como moléculas adaptadoras (RNA de transferencia; tRNA) para la traducción de información del RNA hacia secuencias específicas de aminoácidos polimerizados.
++
Es interesante que algunas moléculas de RNA tienen actividad catabólica intrínseca. La actividad de estas ribozimas a menudo incluye la división de un ácido nucleico. Dos enzimas de RNA bien estudiadas, o ribozimas, son la peptidil transferasa que cataliza la formación de enlaces peptídicos en el ribosoma, y ribozimas comprendidas en el empalme del RNA.
++
En todas las células eucarióticas hay especies de RNA nuclear pequeño (snRNA) que no participan de modo directo en la síntesis de proteína pero desempeñan funciones cruciales en el procesamiento del RNA. El tamaño de estas moléculas relativamente pequeñas varía desde 90 hasta alrededor de 300 nucleótidos (cuadro 34-1). Las propiedades de las diversas clases de RNA celular se detallan más adelante.
++
++
El material genético para algunos virus de animales y vegetales es RNA en lugar de DNA. Aunque algunos virus RNA nunca transcriben su información hacia una molécula de DNA, muchos virus RNA de animales —en específico, los retrovirus (p. ej., el HIV)— se transcriben mediante DNA polimerasa dependiente de RNA viral, la denominada transcriptasa inversa, para producir una copia de DNA bicatenario de su genoma de RNA. En muchos casos, la transcripción de DNA de doble cadena resultante se integra en el genoma del huésped y después sirve como una plantilla para la expresión de gen a partir de la cual pueden transcribirse nuevos genomas de RNA viral y mRNA virales. La inserción genómica de esas moléculas de DNA “proviral” integradoras puede, dependiendo del sitio afectado, ser mutagénica, lo cual desactiva un gen o altera la regulación de su expresión (figura 35-11).
+++
Hay varias clases de RNA
++
En todos los organismos procarióticos y eucarióticos, hay cuatro clases principales de moléculas de RNA: mensajero (mRNA), de transferencia (tRNA), ribosómico (rRNA), y los RNA pequeños. Cada uno difiere de los otros en su abundancia, tamaño, función y estabilidad general.
++
Esta clase es la de abundancia, tamaño y estabilidad más heterogéneos; por ejemplo, en la levadura de cerveza mRNA específicos están presentes en cientos/célula hasta, en promedio, ≤0.1 mRNA por célula en una población genéticamente homogénea. Mecanismos tanto transcripcionales como postranscripción específicos contribuyen a este rango dinámico grande en el contenido de mRNA (caps. 36 y 38). En las células de mamífero la abundancia de mRNA probablemente varía en un rango de 104 veces. Todos los miembros de la clase funcionan como mensajeros que transmiten la información en un gen hacia la maquinaria sintetizadora de proteína, donde cada mRNA sirve como una plantilla con base en la cual una secuencia específica de aminoácidos se polimeriza para formar una molécula de proteína específica, el producto final de gen (figura 34-9). Los mRNA eucarióticos tienen características químicas singulares. La terminal 5ʹ del mRNA está “cubierta” por un 7-metilguanosina trifosfato el cual está enlazado a un 2ʹ-O-metil ribonucleósido adyacente en su 5ʹ-hidroxilo por medio de los tres fosfatos (figura 34-10). Las moléculas de mRNA suelen contener 6-metiladenilatos internos y otros nucleósidos 2ʹ-O-ribosa metilados. La cubierta participa en el reconocimiento del mRNA por la maquinaria de traducción, y ayuda también a estabilizar el mRNA al evitar el ataque de 5ʹ-exonucleasas. La maquinaria sintetizadora de proteína empieza a traducir el mRNA hacia proteínas empezando torrente abajo de la terminal 5ʹ o cubierta. El otro extremo de las moléculas de mRNA, el 3ʹ-hidroxilo terminal, tiene un polímero fijo de residuos adenilato de 20 a 250 nucleótidos de longitud, no genéticamente codificado. La “cola” poli(A) en el 3ʹ-hidroxilo terminal de mRNA mantiene la estabilidad intracelular del mRNA específico al impedir el ataque de 3ʹ-exonucleasas y facilita también la traducción (figura 37-7). Algunos mRNA, incluso aquellos para algunas histonas, no contienen una cola poli(A). Tanto la “cubierta” como la “cola poli(A)” de mRNA se agregan luego de la transcripción por enzimas no dirigidas por plantilla a moléculas precursoras de mRNA (pre-mRNA). El mRNA representa 2 a 5% del RNA total de células eucarióticas.
++
++
++
En células de mamífero, incluso las de seres humanos, las moléculas de mRNA presentes en el citoplasma no son los productos del RNA inmediatamente sintetizados a partir de la plantilla de DNA, sino que deben formarse por procesamiento desde el pre-RNA antes de que entre al citoplasma. De esta manera, en núcleos de mamífero, los productos inmediatos de la transcripción de gen (transcripciones primarias) son muy heterogéneos y pueden ser de 10 a 50 veces más largos que las moléculas de mRNA maduras. Las moléculas de pre-mRNA se procesan para generar las moléculas de mRNA que después entran al citoplasma para servir como plantillas para la síntesis de proteína (cap. 36).
+++
RNA de transferencia (tRNA)
++
La longitud de las moléculas de tRNA varía desde 74 hasta 95 nucleótidos. También se generan por procesamiento nuclear de una molécula precursora (cap. 36). Las moléculas de tRNA sirven como adaptadoras para la traducción de la información en la secuencia de nucleótidos del mRNA hacia aminoácidos específicos. Hay al menos 20 especies de moléculas de tRNA en cada célula, y por lo menos una (y a menudo varias) corresponde a cada uno de los 20 aminoácidos requeridos para la síntesis de proteína. Aun cuando cada tRNA específico difiere de los otros en su secuencia de nucleótidos, las moléculas de tRNA como clase tienen muchas características en común. La estructura primaria —es decir, la secuencia de nucleótido— de todas las moléculas de tRNA permite el plegado y la complementariedad intracadena extensos para generar una estructura secundaria que aparece en dos dimensiones como una hoja de trébol (figura 34-11).
++
++
Todas las moléculas de tRNA contienen cuatro brazos principales. El brazoaceptor termina en los nucleótidos CpCpAOH. Una enzima nucleotidil transferasa específica añade estos tres nucleótidos luego de la transcripción. El aminoácido apropiado para el tRNA se fija, o “carga” sobre el grupo 3ʹ-OH de la porción A del brazo aceptor (figura 37-1). Los brazos D, TψC y extra ayudan a definir un tRNA específico. Los tRNA constituyen a grandes rasgos 20% del RNA celular total.
+++
RNA ribosómico (rRNA)
++
Un ribosoma es una estructura nucleoproteínica citoplásmica que actúa como la maquinaria para la síntesis de proteínas a partir de las plantillas de mRNA. En los ribosomas, las moléculas de mRNA y tRNA interactúan para traducirse hacia una información acerca de molécula de proteína específica transcrita desde el gen. Durante periodos de síntesis activa de proteína, muchos ribosomas pueden asociarse con cualquier molécula de mRNA para formar un montaje llamado el polisoma (figura 37-7).
++
En el cuadro 34-2 se muestran los componentes del ribosoma de mamífero, que tiene un peso molecular de aproximadamente 4.2 × 106, y un coeficiente de velocidad de sedimentación de 80S (S = unidades Svedberg, un parámetro sensible al tamaño y la forma moleculares). El ribosoma de mamífero contiene dos subunidades nucleoproteínicas principales, una de mayor tamaño con un peso molecular de 2.8 × 106 (60S), y una subunidad de menor tamaño con un peso molecular de 1.4 × 106 (40S). La subunidad 60S contiene un RNA ribosómico (rRNA) 5S, un rRNA 5.8S, y un rRNA 28S; también hay más de 50 polipéptidos específicos. La subunidad 40S es de menor tamaño y contiene un rRNA 18S único, y alrededor de 30 cadenas polipeptídicas distintas. Todas las moléculas de RNA ribosómico, excepto el rRNA 5S, que se transcribe de modo independiente, se procesan a partir de una molécula de RNA precursora 45S única en el nucléolo (cap. 36). Las moléculas de RNA ribosómico muy metiladas están aglomeradas en el nucléolo con las proteínas ribosómicas específicas. En el citoplasma, los ribosomas permanecen bastante estables y capaces de muchos ciclos de traducción. No se entienden por completo las funciones precisas de las moléculas de RNA ribosómico en la partícula ribosómica, pero son necesarias para el montaje ribosómico, y desempeñan también funciones clave en la unión de mRNA a ribosomas y su traducción. Estudios recientes indican que el componente de rRNA grande realiza la actividad de peptidil transferasa y, así, es una ribozima. Los RNA ribosómicos (28S + 18S) representan a grandes rasgos 70% del RNA celular total.
++
++
En las células eucarióticas se encuentra gran número de especies de RNA separadas, muy conservadas, y pequeñas; algunas son bastante estables. Casi todas estas moléculas forman complejos con proteínas para constituir ribonucleoproteínas, y están distribuidas en el núcleo, el citoplasma, o ambos. Su tamaño varía de 20 a 1 000 nucleótidos, y están presentes en 100 000 a 1 000 000 de copias por célula, lo que representa en conjunto ≤5% del RNA celular.
+++
RNA nucleares pequeños (snRNA)
++
Los snRNA, un subgrupo de los RNA pequeños (cuadro 34-1), participan de manera importante en el procesamiento de rRNA y mRNA, y en la regulación de gen. De los varios snRNA, los U1, U2, U4, U5 y U6 participan en la eliminación de intrón y en el procesamiento de precursores de mRNA hacia mRNA (cap. 36). El snRNA U7 participa en la producción de los extremos 3ʹ correctos del mRNA histona, que carece de una cola poli(A). El RNA 7SK se asocia con varias proteínas para formar un complejo de ribonucleoproteína, denominado P-TEFb, que modula el alargamiento de la transcripción de gen de mRNA por la RNA polimerasa II (cap. 36).
+++
Micro-RNA, miRNA, y pequeños RNA, siRNA que interfieren, y RNA no codificador
++
Uno de los descubrimientos más interesantes e inesperados en el transcurso del último decenio de la biología reguladora eucariótica fue la identificación y caracterización de miRNA, una clase de RNA pequeños que se encuentra en casi todos los eucariotas (cap. 38). Casi todos los miRNA y siRNA conocidos originan inhibición de la expresión de gen al aminorar la producción de proteína específica, si bien mediante distintos mecanismos. Los miRNA típicamente tienen 21 a 25 nucleótidos de largo, y se generan por medio de procesamiento nucleolítico de los productos de unidades de genes/transcripción separadas (figura 36-17). Los precursores del miRNA son monocatenarios, pero tienen estructura secundaria intramolecular extensa. El tamaño de estos precursores varía desde aproximadamente 500 hasta 1 000 nucleótidos; es característico que los miRNA maduros procesados pequeños se hibriden, mediante la formación de dúplex de RNA-RNA imperfectos dentro de las regiones 3ʹ-no traducidas (3ʹUTR; figura 38-19) de mRNA blanco específicos, lo que lleva, por medio de mecanismos que se entienden poco, a paro de la traducción. Hasta la fecha, se han descrito cientos de miRNA distintos en seres humanos; los estimados sugieren que hay ~1 000 genes que codifican para miRNA en seres humanos. Al igual que con los miRNA, los siRNA se derivan de la división nucleolítica específica de RNA de mayor tamaño para formar de nuevo productos pequeños, de 21 a 25 nucleótidos de largo. Estos siRNA cortos por lo general forman híbridos RNA-RNA perfectos con sus blancos separados, en potencia en cualquier sitio dentro de la longitud del mRNA donde existe la secuencia complementaria. La formación de esos dúplex RNA-RNA entre siRNA y mRNA causa producción reducida de proteína específica porque una maquinaria nucleolítica dedicada degrada los complejos de siRNA-mRNA; parte de esta degradación de mRNA, o toda, sucede en organelos citoplásmicos específicos llamados cuerpos P (figura 37-11). Dada su especificidad genética exquisita, tanto los miRNA como los siRNA representan interesantes nuevos blancos potenciales para la creación de fármacos terapéuticos. Además, los siRNA suelen usarse para disminuir o “noquear” (“knock-down”) concentraciones de proteínas específicas (por medio de degradación de mRNA dirigida hacia homología de siRNA) en contextos experimentales en el laboratorio, una alternativa en extremo útil y potente para la tecnología de deleción de gen (cap. 39).
++
Otro descubrimiento reciente e interesante en el campo del RNA es la identificación y caracterización de RNA no codificadores, o ncRNA, largos. El tamaño de los ncRNA largos que, como su nombre lo indica, no codifican para proteína, varía desde ~300 hasta miles de nucleótidos de largo; estos RNA típicamente se transcriben a partir de las regiones grandes de genomas eucariontes que no codifican para proteína. De hecho, análisis del transcriptoma por medio de la tecnología de secuenciación de siguiente generación (cap. 39) indican que >90% del DNA genómico eucarionte es transcrito. Los ncRNA constituyen una porción importante de esta transcripción. Los ncRNA desempeñan muchos papeles que varían desde contribuir a los aspectos estructurales de la cromatina, hasta la regulación de la transcripción de gen que codifica para mRNA por la RNA polimerasa II. Investigación futura caracterizará más esta importante nueva clase de moléculas de RNA.
++
Despierta interés que las bacterias también contienen RNA reguladores heterogéneos pequeños denominados sRNA. El tamaño de los sRNA bacterianos varía desde 50 hasta 500 nucleótidos, y al igual que los mi/siRNA eucarióticos también controlan una gama grande de genes. De modo similar, los sRNA a menudo reprimen, pero en ocasiones activan, la síntesis de proteína al unirse a mRNA específico.