Cuprins

1. Introducere ....................................................................................................2

2. Structura ARN-ului ......................................................................................3

3. Sinteza ARN-ului ..........................................................................................4

4. Funcţiile celulare ale ARN-ului ...................................................................4

5. Tipuri de ARN ..............................................................................................6

6. Sinteza proteinelor ........................................................................................9

7. Bibliografie ...................................................................................................11

2

1. Introducere

Acizii nucleici sunt compuşi macromoleculari cu structură complexă şi mase

moleculare cuprinse între câteva zeci de mii şi milioane. Sunt, împreună cu proteinele,

componentele nucleoproteidelor, compuşi de importanţă biologică, existenţi în celulele

vii. După provenienţa lor, respectiv după materialele din care au fost extrase, acizii

nucleici erau consideraţi de două tipuri: acizi timonucleici (acizi nucleici din timus sau

acizi nucleici animali) şi acizi zimonucleici (acizi nucleici din drojdie sau acizi nucleici

vegetali). Întrucât s-a constatat că deosebirea dintre ei constă în natura componentului

glucidic (acizii timonucleici conţin în molecula lor dezoxi-D-riboza, iar acizii

zimonucleici conţin D-riboza), denumirile lor au fost înlocuite cu denumirile de acizi

dezoxiribonucleici (ADN), şi acizi ribonucleici (ARN). Cercetări ulterioare au dovedit,

însă, că aceste două tipuri de acizi nucleici sunt prezente în toate organismele vii, având

rol important în desfăşurarea proceselor vitale normale şi patologice; acizii

dezoxiribonucleici sunt substanţele de bază în aparatul genetic, care asigură ereditatea şi

variabilitatea, pe când acizii ribonucleici au mai mult rol funcţional legat de sinteza

proteinelor.

Acidul ribonucleic (ARN) este, ca și ADN-ul, un polinucleotid format prin

copolimerizarea ribonucleotidelor. Un ribonucleotid este format dintr-o bază

azotată (adenină A, guanină G, uracil U și citozină C), o pentoză (D-2-dezoxiriboză) și

un fosfat. În molecula de ARN uracilul înlocuiește timina.

3

2. Structura ARN-ului

Fig. 2.1 - Structura unui ribonucleotid. Baza azotată prezentată aici este uracilul

Molecula de ARN este monocatenară (este alcătuită dintr-un singur lanț

polinucleotidic). Este un complex macromolecular similar, structural și funcțional, în

multe privințe ADN-ului. ARN-ul rezultă din copolimerizarea ribonucleotidelor, care

determină formarea unor lanțuri lungi, monocatenare.

Un ribonucleotid este format dintr-o bază azotată ( adenină A, guanină G, uracil U si

citozină C ), o pentoză ( D-2-dezoxiriboză) şi un fosfat. În molecula de ARN uracilul

înlocuieşte timina. Polimerizarea ribonucleotdelor se realizează prin legaturi

fosfodiesterice în pozitiile 3’- 5’.

Fig. 2.2 - Pliere și aparierea unei regiuni din molecula unui ARN ce conține o secvență repetată inversată

cu formarea unei regiuni dublu catenare terminată cu o buclă.

4

Compoziția nucleotidică (sau secvența, ordinea nucleotidelor în moleculă)

definește structura primară a moleculei de ARN. Datorită complementarității bazelor în

unele regiuni mai mari sau mai mici ale moleculei de ARN, în soluție și în funcție de

temperatură, prin pliere și aparierea regiunilor complementare, molecula poate capăta,

formând o buclă, o structură parțial bicatenară. Această structură secundară este deosebit

de importantă în funcția unor tipuri de ARN, ca, de exemplu, ARN-ul de

transfer. Molecula de ARN poate adopta o structură tridimensională numită structură

terțiară ce rezultă din aparieri între bazele azotatediferite de aparierile clasice A-T și C-G.

3. Sinteza ARN-ului

ARN-ul este sintetizat prin procesul numit transcripție. În acest proces, ADN-ul

are rol de matriță. Molecula dublu catenară de ADN este desfăcută, pe intervalul care

urmează a fi transcris, de anumite complexe proteice prin ruperea punților de hidrogen

între bazele azotate complementare. Un complex proteic cu funcție enzimatică

numit ARN polimerază copiază una din catenele de ADN pentru a produce un ARN

complementar. Catena de ADN care funcționează ca matriță pentru sinteza ARN-ului se

numește catenă sens.

Sinteza ARN-ului (transcripția) se realizează pe baza complementarității bazelor

azotate ca și în cazul replicării moleculei de ADN cu o singură excepție: în

dreptul adeninei de pe catena matriță a ADN-ului se va atașa uracilul în catena nou

sintetizată de ARN. Polimerizarea ribonucleotidelor în transcripție se desfășoară în

același sens ca reacția de polimerizare a dezoxiribonucleotidelor din cadrul

replicării ADN-ului și anume de la 5' spre 3'.

4. Funcţiile celulare ale ADN-ului

Suport temporar al informației genetice

Acest rol este realizat de ARN-ul mesager ce transportă informația genetică

necesară sintezei de proteine de la ADN-ul localizat nuclear la ribozomii localizați

încitoplasmă.

5

Catalizator enzimatic

Unele molecule de ARN au capacitatea de a cataliza reacții chimice modificând

atât aminoacizi sau proteine cât și acizi nucleici.

Ghid pentru enzime

Unele molecule de ARN sunt componente ale unor complexe ribonucleoproteice ce

participă la ghidarea lor spre secvențele specifice. În această categorie pot fi încadrate

moleculele mici de ARN nucleolar (snoARN – small nucleolar ARN în engleză) ce

participă la clivarea ARN-ului ribozomal sau ARN telomeric ce reprezintă matrița

folosită de complexul ribonucleoproteic numit telomerază pentru sinteza extremităților

moleculelor de ADN (numite telomere).

Regularea expresiei genelor

Unele molecule de ARN (ARN antisens, spre exemplu) sunt implicate în represia uneia

sau mai multor gene.

Rol în translație

ARN-ul de transfer transportă aminoacizii și îi poziționează în cursul sintezei proteice.

6

Suport al informației genetice

Genomul unor virusuri este constituit din ARN. În această categorie intră virusul gripei,

virusul hepatitei C sau virusul SIDA. Replicarea acestor virusuri se face cu o fidelitate

mult mai redusă, deoarece în cazul ARN-ului nu există un proces de corijare a erorilor,

frecvența mare a erorilor ducând la o mare variabilitate genetică.

5. Tipuri de ARN

În celule se găsesc diferite tipuri de ARN. Proporția lor este diferită: o mare

cantitate este reprezentată de ARNr (80-90% din ARN-ul celular), ARNt în proporție de

10-15% și doar o cantitate mică de ARNm (mai puțin de 5%).

ARN mesager - ARNm

ARN-ul mesager este ARN-ul ce va servi ca tipar pentru sinteza proteinelor. Complexul

enzimatic ARN polimerază sintetizează inițial un ARN mesager precursor ce conține

secvențele corespunzătoare exonilor și intronilor genei. Prin procesul ulterior de maturare

ARN-ul premesager este modificat pentru a duce la formarea ARN-ului mesager matur:

la capătul 5’ se adaugă un „cap” (o moleculă de 7-metil-guanozină);

la capătul 3’ se adaugă o serie de 100-200 de ribonucleotide conținând

adenină ce formează coada poli-A;

sunt eliminate secvențele corespunzătoare intronilor prin procesul

numit matisare (splicing în engleză) fiind păstrate doar secvențele

corespunzătoare exonilor, secvențe ce conțin informația necesară sintezei de

proteine prin procesul numit translație.

Fig. 5.1 - Matisarea exonilor și formarea ARN-ului mesager matur

7

Fig. 5.2 - Structura ARN-ului mesager matur: "capul" situat la extremitatea 5' (în roșu), regiunea 5'UTR (în

galben), regiunea codantă (în verde), regiunea 3'UTR (în violet) și coada poli-A (în negru).

ARN de transport - ARNt

ARN-ul de transport (notat ARNt) este un ARN scurt, de 75-100 nucleotide, cu o

structură terțiară „în treflă” (cu patru regiuni scurte dublu catenare și trei bucle) ce

fixează un anumit aminoacid la capătul 3’ și care are o regiune specifică de trei

nucleotide numită anticodon în bucla opusă capătului 3’. Acest ARN fixează un

aminoacid pe care îl transportă și în poziționează în dreptul unui codon (prin

complementaritatea codon (de pe molecula de ARNm) – anticodon (de pe molecula de

ARNt) în cursul procesului de translație.

Fig. 5.3 - Vedere spațială a unui ARNt. Situl de fixare a aminoacidului este în portocaliu, bucla ce conțineanticodonul în albastru și anticodonul în negru.

8

ARN ribozomal - ARNr

ARN-ul ribozomal este un constituient principal al ribozomilor, structuri celulare la

nivelul cărora se realizează sinteza proteinelor. ARN-ul ribozomal este sintetizat prin

transcripția genelor corespunzătoare situate în anumite regiuni ale cromozomilor numite

organizatori nucleolari (sau NOR în engleză). Prin transcripție sunt sintetizați precursori

de talie mare ce vor fi ulterior scindați în patru tipuri de ARNr: ARNr 28S, ARNr 5.8S,

ARNr 5S (ce intră în compoziția subunității mari, 60S, a ribozomului) și ARNr 18S (ce

intră în compoziția subunității mici, 40S, a ribozomului).

ARN regulatori

Unele molecule de ARN au ca rol regularea expresiei genelor:

ARN antisens, ARN ce conține regiuni complementare ARN-ului mesager și

care, prin apariere, poate determina formarea de regiuni dublu catenare ARN-

ARN, regiuni ce pot fie modifica capacitatea ARNm de a fi translat , fie pot

duce la degradarea moleculei de ARNm. Acest proces de degradare este

numit interferență ARN și a fost descoperit de Andrew Z. Fire și Craig C.

Mello (premiul Nobel de Fiziologie și Medicină în 2006).

ARN regulator de talie mare ce determină modificări

epigenetice (condensare a cromatinei și oprirea expresiei genelor localizate în

regiunea respectivă). Un exemplu îl reprezintă ARN-ul Xist la mamifere ce

intervine în procesul de inactivare a unui cromozomul X la organismele de sex

feminin.

ARN catalitic (ribozime)

Unele molecule de ARN (numite și ribozime, prin contracția cuvintelor ribonucleotid

și enzime) au capacitatea de a cataliza reacții chimice de clivare sau de transesterificare în

absența proteinelor enzimatice. Un exemplu îl reprezintă siturile

9

active (peptidil și aminoacil) ale ribozomilor care sunt formate exclusiv din segmente

de ARN ribozomal. Ribozimele pot cataliza și reacții de modificare ale acizilor nucleici,

spre exemplu spliceozomii, complexe ribonucleoproteice implicate în procesul de

matisare al ARN-ului premesager. Pentru identificarea ribozimelor Thomas Cech și

Sidney Altman au primit premiul Nobel pentru Chimie în 1989.

Fig. 5.4 – Pricipalele tipuri de ARN celular

6. Sinteza proteinelor

Într-o celulă pot exista circa 10000 proteine care au rol esenţial în funcţionarea şi

reproducerea celulei şi organismului. Biosinteza proteinelor se desfăşoară în următoarele

momente. În primul moment are loc transcripţia, care constă în sinteza mARN de către

una dintre catenele de ADN dintr-o genă. Acest mARN are o structură complementară

catenei de ADN matrice, reprezentând o “imagine în oglindă” a acestuia, o transcriere

mecanică a codonilor catenei de ADN, respectiv a mesajului genetic, cu simboluri

complementare. În al doilea moment are loc translaţia care constă în migrarea mARN în

10

citoplasmă şi asocierea mARN cu ribozomii activi în sinteza proteică. Catena de mARN

se fixează simultan prin absorbţie pe mai mulţi ribozomi la distanţa între ei de 300-350A,

formând poliribozomi. În al treilea moment are loc activarea aminoacizilor, care constă

în reacţia unui aminoacid cu adenozin-trifosfat (ATP) catalizată de aminoacil-ARN

sinteza, şi formarea de aminoacil-adenilat (aminoacil AMP), care se ataşează de o

moleculă de tARN, determinând apariţia unui complex aminoacil-tARN. Acest complex

este transportat în locul lui propriu în lanţul proteic, determinat de mARN din polizomi.

Pe catena mARN din polizom, se vor amplasa, la nivelul fiecărui ribozom, numai acele

complexe aminoacil-tARN care, pe bucla centrală, reprezentând anticodonul, posedă o

secvenţă de trei ribonucleotizi complementară codonilor mARN din complexul

polizomului. În acest fel aminoacizii sunt legaţi enzimatic într-o ordine impusă de ADN

care a matriţat mARN şi care joacă un rol direct în biosinteza proteinelor. În al patrulea

moment are loc translaţia, polimerizarea sau asamblarea aminoacizilor. Legătura se

realizează între gruparea COOH a primului aminoacil care reprezintă punctul activ al

biosintezei progresive, cu gruparea NH2, a celui de al doilea aminoacil, în prezenţa

enzimei peptid-polimeraza, care catalizează formarea legăturilor peptidice între

aminoacizi; încorporarea aminoacizilor este ireversibilă; iau astfel naştere lanţuri

polipeptidice care se eliberează de polizom, prin translocarea ultimului complex

aminoacil-tARN de ultimul ribozom din polizom, când acesta a ajuns în urma rotirii la

extremitatea matricei mARN de care se detaşează. Un lanţ polipeptidic se sintetizează

într-un minut.

Fig. 6.1 – Sinteza proteinelor

11

7. Bibliografie

1. www.wikipedia.org

2. Covic, M., Ștefănescu D., Sandovici I. (2004), Genetică Medicală, Ed. Polirom,

București

3. http://www.biotech.icmb.utexas.edu/pages/science/nucacid_db_intro.html4. http://anatomie.romedic.ro/arn5. http://www.nature.com/scitable/definition/ribonucleic-acid-rna-456. http://www.medterms.com/script/main/art.asp?articlekey=5366