ARN este o componentă esențială a mecanismelor genetice moleculare ale celulei. Conținutul de acizi ribonucleici este de câteva procente din greutatea sa uscată, iar aproximativ 3-5% din această cantitate revine ARN-ului mesager (ARNm), care este direct implicat în sinteza proteinelor, contribuind la implementarea genomului.
Molecula de ARNm codifică secvența de aminoacizi a proteinei citite din genă. Prin urmare, acidul ribonucleic de matrice este altfel numit informațional (ARNm).
Caracteristici generale
Ca toți acizii ribonucleici, ARN-ul mesager este un lanț de ribonucleotide (adenină, guanină, citozină și uracil) conectate între ele prin legături fosfodiester. Cel mai adesea, ARNm are doar o structură primară, dar în unele cazuri are o structură secundară.
Într-o celulă există zeci de mii de specii de ARNm, fiecare dintre acestea fiind reprezentată de 10-15 molecule corespunzătoare unui anumit situs din ADN. ARNm conține informații despre structura unuia sau mai multorbacterii) proteine. Secvența de aminoacizi este prezentată ca tripleți ale regiunii de codificare a moleculei de ARNm.
Rol biologic
Funcția principală a ARN-ului mesager este de a implementa informații genetice prin transferul acesteia de la ADN la locul de sinteză a proteinelor. În acest caz, ARNm îndeplinește două sarcini:
- rescrie informații despre structura primară a proteinei din genom, care se realizează în procesul de transcripție;
- interacţionează cu aparatul de sinteză a proteinelor (ribozomi) ca o matrice semantică care determină secvenţa de aminoacizi.
De fapt, transcripția este sinteza ARN-ului, în care ADN-ul acționează ca un șablon. Cu toate acestea, numai în cazul ARN-ului mesager, acest proces are valoarea de a rescrie informații despre proteina din genă.
MARN-ul este principalul mediator prin care se realizează calea de la genotip la fenotip (ADN-ARN-proteină).
Tura de viață a ARNm într-o celulă
ARN-ul mesager trăiește în celulă pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Perioada de existență a unei molecule este caracterizată de doi parametri:
- Timpul de înjumătățire funcțional este determinat de capacitatea ARNm de a servi ca matriță și este măsurat prin reducerea cantității de proteină sintetizată per moleculă. La procariote, această cifră este de aproximativ 2 minute. În această perioadă, cantitatea de proteină sintetizată este redusă la jumătate.
- Timpul de înjumătățire chimic este determinat de reducerea moleculelor de ARN mesager capabile de hibridizare(compus complementar) cu ADN, care caracterizează integritatea structurii primare.
Timpul de înjumătățire chimic este de obicei mai lung decât timpul de înjumătățire funcțional, deoarece o ușoară degradare inițială a moleculei (de exemplu, o singură rupere a lanțului de ribonucleotide) nu împiedică încă hibridizarea cu ADN-ul, dar previne deja proteinele sinteza.
Timpul de înjumătățire este un concept statistic, astfel încât existența unei anumite molecule de ARN poate fi semnificativ mai mare sau mai mică decât această valoare. Drept urmare, unele ARNm au timp să fie traduse de mai multe ori, în timp ce altele sunt degradate înainte ca sinteza unei molecule de proteine să fie finalizată.
În ceea ce privește degradarea, ARNm-urile eucariote sunt mult mai stabile decât cele procariote (timp de înjumătățire este de aproximativ 6 ore). Din acest motiv, sunt mult mai ușor de izolat de celulă intacte.
structură ARNm
Secvența de nucleotide a ARN-ului mesager include regiuni traduse, în care este codificată structura primară a proteinei, și regiuni non-informative, a căror compoziție diferă în procariote și eucariote.
Regiunea de codificare începe cu un codon de inițiere (AUG) și se termină cu unul dintre codonii de terminare (UAG, UGA, UAA). În funcție de tipul de celulă (nucleară sau procariotă), ARN-ul mesager poate conține una sau mai multe regiuni de translație. În primul caz, se numește monocistronic, iar în al doilea - policistronic. Acesta din urmă este caracteristic doar pentru bacterii și arhee.
Caracteristici ale structurii și funcționării ARNm la procariote
Procesele de transcripție la procarioteiar traducerile au loc simultan, astfel încât ARN-ul mesager are doar o structură primară. La fel ca la eucariote, este reprezentată de o secvență liniară de ribonucleotide, care conține regiuni informaționale și necodificatoare.
Majoritatea ARNm-urilor bacteriilor și arheilor sunt policistronice (conțin mai multe regiuni de codificare), ceea ce se datorează particularității organizării genomului procariot, care are o structură de operon. Aceasta înseamnă că informațiile despre mai multe proteine sunt codificate într-un singur transcripton ADN, care este ulterior transferat la ARN. O mică parte din ARN-ul mesager este monocistronic.
Regiunile netraduse ale ARNm bacterian sunt reprezentate de:
- secvență de lider (situat la capătul 5`);
- trailer (sau final) secvență (aflată la sfârșitul 3`);
- regiuni intercistronice netraduse (distanțiere) - situate între regiunile de codificare ale ARN-ului policistronic.
Lungimea secvențelor intercistronice poate fi de la 1-2 la 30 de nucleotide.
ARNm eucariot
ARNm eucariotic este întotdeauna monocistronic și conține un set mai complex de regiuni necodificatoare care includ:
- cap;
- 5`-zonă netradusă (5`NTR);
- 3`-zonă netradusă (3`NTR);
- coadă de poliadenil.
Structura generalizată a ARN-ului mesager la eucariote poate fi reprezentată cascheme cu următoarea secvență de elemente: capac, 5`-UTR, AUG, regiune tradusă, codon stop, 3`UTR, poly-A-tail.
La eucariote, procesele de transcriere și de traducere sunt separate atât în timp, cât și în spațiu. ARN-ul mesager dobândește un capac și o coadă de poliadenil în timpul maturării, ceea ce se numește procesare, iar apoi este transportat de la nucleu la citoplasmă, unde sunt concentrați ribozomii. Procesarea elimină, de asemenea, intronii care sunt transferați la ARN din genomul eucariotic.
Unde sunt sintetizați acizii ribonucleici
Toate tipurile de ARN sunt sintetizate de enzime speciale (ARN polimeraze) bazate pe ADN. În consecință, localizarea acestui proces în celulele procariote și eucariote este diferită.
La eucariote, transcripția se realizează în interiorul nucleului, în care ADN-ul este concentrat sub formă de cromatina. În același timp, pre-ARNm este sintetizat mai întâi, care suferă o serie de modificări și numai după aceea este transportat în citoplasmă.
La procariote, locul unde sunt sintetizați acizii ribonucleici este regiunea citoplasmei care mărginește nucleoidul. Enzimele de sinteză a ARN interacționează cu buclele despiralizate ale cromatinei bacteriene.
Mecanismul de transcriere
Sinteza ARN-ului mesager se bazează pe principiul complementarității acizilor nucleici și este realizată de ARN polimeraze care catalizează închiderea legăturii fosfodiesterului dintre trifosfații de ribonucleozidici.
La procariote, ARNm este sintetizat de aceeași enzimă ca și alte speciiribonucleotide și în eucariote prin ARN polimeraza II.
Transcrierea include 3 etape: inițiere, alungire și terminare. În prima etapă, polimeraza se atașează de promotor, un situs specializat care precede secvența de codificare. În stadiul de alungire, enzima formează lanțul de ARN prin adăugarea de nucleotide la lanț care interacționează complementar cu lanțul de ADN șablon.
