Definiție ARN mesager
Acizii ribonucleici mesageri (ARNm) transferă informația de la ADN la mașinăria celulară care produce proteine. Strâns în fiecare nucleu celular, care măsoară doar 10 microni în diametru, se află un „manual de instrucțiuni” cu ADN dublu catenar, lung de trei metri, despre cum să construiască și să mențină un corp uman. Pentru ca fiecare celulă să își mențină structura și să își îndeplinească toate funcțiile, trebuie să fabrice în permanență părți specifice tipului de celulă (proteine). În interiorul fiecărui nucleu, o proteină cu mai multe subunități numită ARN polimeraza II (RNAP II) citește ADN-ul și, în același timp, fabrică un „mesaj” sau un transcript, care se numește ARN mesager (ARNm), într-un proces numit transcripție. Moleculele de ARNm sunt compuse din șiruri de molecule relativ scurte, simple, alcătuite din baze de adenină, citozină, guanină și uracil, ținute împreună de o coloană vertebrală de fosfat de zahăr. Atunci când ARN-polimeraza termină de citit o secțiune din ADN, copia de ARNm este procesată pentru a forma ARNm matur și apoi transferată în afara nucleului celular. Ribozomii citesc ARNm și traduc mesajul în proteine funcționale în cadrul unui proces numit traducere. În funcție de structura și funcția proteinei nou-sintetizate, aceasta va fi modificată ulterior de către celulă, va fi exportată în spațiul extracelular sau va rămâne în interiorul celulei. Diagrama de mai jos arată transcripția (ADN->ARN) care are loc în nucleul celulei, unde RNAP este enzima RNA polimeraza II care sintetizează ARN.
ARNm precursor conține introni și exoni. Intronii sunt eliminați înainte de traducere, în timp ce exonii codifică secvența de aminoacizi a proteinelor. Pentru a obține ARNm matur, mașinăria celulară elimină intronii „netranslabili” din ARNm premergător, lăsând în ARNm doar secvențe de exoni traductibili.
Tipuri de ARNm
ARNm pre și ARNhn
ARNm precursor (ARNm pre) este transcrierea primară a ARNm eucariot, așa cum se desprinde din șablonul ADN. ARN pre-m face parte dintr-un grup de ARN-uri numite ARN nuclear eterogen (ARNhn). ARNhn se referă la toate ARN-urile monocatenare situate în interiorul nucleului celulei unde are loc transcrierea (ADN->ARN), iar ARN pre-m formează o mare parte din acești acizi ribonucleici. Pre-ARNm conține secvențe care trebuie îndepărtate sau „splitate” înainte de a fi traduse într-o proteină. Aceste secvențe pot fi eliminate fie prin activitatea catalitică a ARN-ului însuși, fie prin acțiunea unei structuri multiproteice numită spliceosom. După această etapă de procesare, ARNm-ul premergător este considerat un transcript de ARNm matur.
Schema de mai jos descrie structura ARNm-ului premergător. ARNm pre include introni și poate include sau nu capacul 5′ și coada 3′ poli-adenilată:
ARNm monocistronic
O moleculă de ARNm monocistronic conține secvențele de exoni care codifică o singură proteină. Cele mai multe ARNm eucariote sunt monocistronice.
ARNm bicistronic
O moleculă de ARNm bicistronic conține secvențele de codificare a exonilor pentru două proteine.
ARNm policistronic
O moleculă de ARNm policistronic conține secvențele de codificare a exonilor pentru mai multe proteine. Majoritatea ARNm al bacteriilor și al bacteriofagilor (virusuri care trăiesc în gazde bacteriene) sunt policistronice.
ARNm procariot vs. eucariot
ARNm procariot policistronic conține mai multe situsuri pentru inițierea și terminarea sintezei proteice. Eucariotele au doar un singur situs de inițiere a traducerii și ARNm eucariote sunt în principal monocistronice. procariotele nu au organite și un înveliș nuclear bine definit și, prin urmare, traducerea ARNm poate fi cuplată cu transcrierea ARNm în citoplasmă. La eucariote, ARNm este transcris pe cromozomi în nucleu și, după procesare, este transferat prin porii nucleari și în citoplasmă. Spre deosebire de procariote, traducerea la eucariote are loc numai după ce transcrierea a fost finalizată. ARNm procariot este degradat în mod constant de ribonucleaze, enzime care taie ARN-ul. De exemplu, durata de înjumătățire a ARNm în E. Coli este de aproximativ două minute. ARNm bacterian are o durată de viață scurtă pentru a permite flexibilitate în adaptarea la condițiile de mediu care se schimbă rapid. ARNm eucariote sunt mai stabile din punct de vedere metabolic. De exemplu, precursorii globulelor roșii de mamifere (reticulocite), care și-au pierdut nucleul, sintetizează hemoglobina timp de câteva zile prin traducerea ARNm care a fost transcris când nucleul era încă prezent. În cele din urmă, ARNm al procariotelor suferă o procesare minimă. La eucariote, pre-ARNm trebuie să fie supus unei prelucrări înainte de a fi tradus, implicând îndepărtarea intronilor, adăugarea capacului 5′, precum și a cozii poliadenilate 3′ înainte ca ARNm matur să se formeze și să fie gata să fie tradus.
Funcțiile ARNm
Funcția principală a ARNm este de a acționa ca intermediar între informația genetică din ADN și secvența de aminoacizi a proteinelor. ARNm conține codoni care sunt complementari cu secvența de nucleotide de pe ADN-ul șablon și care dirijează formarea aminoacizilor prin acțiunea ribozomilor și a ARNt. ARNm conține, de asemenea, mai multe regiuni de reglare care pot determina momentul și rata de traducere. În plus, asigură faptul că traducerea se desfășoară în mod ordonat, deoarece conține situsuri pentru andocarea ribozomilor, ARNt, precum și diverse proteine ajutătoare.
Proteinele produse de celule joacă o varietate de roluri, fie ca enzime, fie ca molecule structurale sau ca mașini de transport pentru diverse componente celulare. Unele celule sunt, de asemenea, specializate pentru a secreta proteine, cum ar fi glandele care produc enzime digestive sau hormonii care influențează metabolismul întregului organism.
Traducerea ARNm
ARNm poate fi tradus pe ribozomii liberi din citoplasmă cu ajutorul moleculelor de ARN de transfer (ARNt) și a mai multor proteine numite factori de inițiere, elongație și terminare. Proteinele care sunt sintetizate pe ribozomii liberi din citoplasmă sunt adesea utilizate de celulă în citoplasma însăși sau sunt direcționate pentru a fi utilizate în interiorul organitelor intracelulare. Alternativ, proteinele care trebuie să fie secretate încep să fie traduse în citoplasmă, dar imediat ce primele câteva reziduuri sunt traduse, proteine specifice transportă întregul mecanism de traducere către membrana reticulului endoplasmatic (ER). Cei câțiva aminoacizi inițiali sunt încorporați în membrana ER, iar restul proteinei este eliberat în spațiul interior al ER. Secvența scurtă este eliminată din proteinele care trebuie să fie secretate din celulă, în timp ce cele destinate membranelor interne păstrează acea porțiune scurtă care asigură o ancorare în membrană.
Peste 200 de boli sunt asociate cu defecte în procesarea ARNm în ARNm. Mutațiile în ADN sau în mașinăria de splicing afectează în principal acuratețea splicingului pre-ARNm. De exemplu, o secvență anormală de ADN poate elimina, slăbi sau activa situsuri de racordare ascunse în ARNm pre-ARNm. De asemenea, în cazul în care mașinăria de splicing nu funcționează corect, spliceosomul poate tăia incorect ARN pre-m, indiferent de secvență. Aceste mutații au ca rezultat procesarea pre-ARNm în ARNm care vor continua să codifice proteine cu funcționare defectuoasă. ARNm anormale sunt, de asemenea, uneori, ele însele ținte pentru dezintegrarea ARNm mediată de nonsens, precum și pentru degradarea co-transcripțională a ARNm-urilor premergătoare. Celulele derivate de la pacienți cu o varietate de boli, inclusiv progeria, cancerul de sân și fibroza chistică, prezintă defecte de splicing al ARN-ului, cancerul și bolile neuropatologice fiind cele mai frecvente.
- Ribozom – Ribozomii sunt enzime compuse din mai multe proteine care catalizează sinteza proteinelor din ARNm în procesul de traducere. Ribozomii există liber în citoplasma celulară sau rămân atașați de reticulul endoplasmatic.
- RNAP II – ARN Polimeraza II este o enzimă compusă din multe proteine care citește ADN-ul și sintetizează ARN-ul în nucleul celular într-un proces numit transcripție.
- Transcripția – Transcripția este sinteza ARN-ului din ADN de către ARN-polimeraza.
- Traducerea – Traducerea este sinteza proteinelor din ARNm care implică ribozomi și alte proteine.
Quiz
1. Moleculele de ARNm matur sunt scurte, monocatenare și conțin următoarele componente:
A. adenină, citozină, guanină și uracil, exoni, 5′-cap și 3′-poly-coadă
B. adenină, citozină, guanină și uracil, introni, exoni, 5′-cap și 3′-poly-tail
C. adenină, citozină, guanină și uracil, introni
D. introni, 5′-cap și 3′-poly-tail
2. Numiți locația și mașinăria celulară implicate în transcrierea și traducerea ARNm.
A. Transcripția are loc în nucleu, prin acțiunea ribozomilor; traducerea are loc în citoplasmă, prin RNAP II.
B. Transcripția are loc în nucleu, prin acțiunea RNAP II; traducerea are loc în citoplasmă sau pe reticulul endoplasmatic, prin acțiunea ribozomilor.
C. Transcripția are loc pe membrana celulară prin acțiunea RNAP II; traducerea are loc în citoplasmă prin acțiunea factorilor de traducere.
D. Niciuna din cele de mai sus nu este corectă.
3. Care dintre următoarele afirmații sunt adevărate cu privire la diferențele dintre ARNm eucariote și procariote?
A. Spre deosebire de eucariote care transcriu în nucleu și traduc în citoplasmă, procariotele, transcriu și traduc simultan ARNm în citoplasmă.
B. ARNm procariot este în principal policistronic, iar ARNm eucariot este în principal monocistronic.
C. ARNm bacterian are o durată de viață scurtă pentru a permite flexibilitate în medii care se schimbă rapid, în timp ce ARNm eucariote este stabil până la câteva zile.
D. Toate cele de mai sus sunt corecte.
4. Ce se întâmplă în timpul importantei etape de procesare de la ARNm la ARNm?
A. Intronii necodificatori sunt eliminați sau „spliced out”.
B. ARNm este tradus în proteină.
C. ARNm-ul premergător este exportat în afara nucleului.
D. Toate cele de mai sus.