Fonctions, structure et types d'ARN

Le ARN ou ARN (acide ribonucléique) est un type d'acide nucléique présent dans les organismes eucaryotes, les procaryotes et les virus. C'est un polymère nucléotidique qui contient quatre types de bases azotées dans sa structure: l'adénine, la guanine, la cytosine et l'uracile.

L'ARN se trouve généralement en une seule bande (sauf chez certains virus), de manière linéaire ou en formant une série de structures complexes. En fait, l'ARN a un dynamisme structurel qui n'est pas observé dans la double hélice de l'ADN. Les différents types d'ARN ont des fonctions très variées.

Les ARN ribosomiques font partie des ribosomes, les structures responsables de la synthèse des protéines dans les cellules. Les ARN messagers agissent comme intermédiaires et transportent l'information génétique vers le ribosome, ce qui traduit le message d'une séquence de nucléotides en l'un des acides aminés.

Les ARN de transfert sont responsables de l'activation et du transfert des différents types d'acides aminés -20 au total vers les ribosomes. Il existe une molécule d'ARN de transfert pour chaque acide aminé qui reconnaît la séquence dans l'ARN messager.

De plus, il existe d'autres types d'ARN qui n'interviennent pas directement dans la synthèse des protéines et sont impliqués dans la régulation des gènes.

Index

• 1 structure
  • 1.1 Nucléotides
  • Chaîne d'ARN 1.2
  • 1.3 Forces qui stabilisent l'ARN
• 2 types d'ARN et fonctions
  • 2.1 ARN messager
  • 2.2 ARN ribosomal
  • 2.3 ARN de transfert
  • 2.4 MicroARN
  • Silencieux 2,5 ARN
• 3 Différences entre l'ADN et l'ARN
• 4 Origine et évolution
• 5 références

Structure

Les unités fondamentales de l'ARN sont des nucléotides. Chaque nucléotide est formé par une base azotée (adénine, guanine, cytosine et uracile), un pentose et un groupe phosphate.

Nucléotides

Les bases azotées sont issues de deux composés fondamentaux: les pyrimidines et les purines.

Les bases dérivées des purines sont l'adénine et la guanine et les bases dérivées des pyrimidines sont la cytosine et l'uracile. Bien que ce soient les bases les plus courantes, les acides nucléiques peuvent également présenter d'autres types de bases moins fréquentes.

Quant au pentose, ce sont des unités de d-ribose. Par conséquent, les nucléotides qui constituent l'ARN sont appelés "ribonucléotides".

Chaîne d'ARN

Les nucléotides sont liés entre eux par des liaisons chimiques impliquant le groupe phosphate. Pour les former, le groupe phosphate à l'extrémité 5 'd'un nucléotide est attaché au groupe hydroxyle (-OH) à l'extrémité 3' du nucléotide suivant, créant ainsi une liaison de type phosphodiester.

Le long de la chaîne d'acide nucléique, les liaisons phosphodiester ont la même orientation. Par conséquent, il y a une polarité du brin, en distinguant les extrémités 3 'et 5'.

Par convention, la structure des acides nucléiques est représentée avec l'extrémité 5 'à gauche et l'extrémité 3' à droite.

Le produit ARN de la transcription de l'ADN est une chaîne simple qui tourne vers la droite, en conformation hélicoïdale par empilement des bases. L'interaction entre les purines est beaucoup plus grande que l'interaction entre deux pyrimidines, par leur taille.

Dans l'ARN, nous ne pouvons pas parler d'une structure secondaire traditionnelle et de référence, de même que la double hélice de l'ADN. La structure tridimensionnelle de chaque molécule d'ARN est unique et complexe, comparable à celle des protéines (logiquement, on ne peut pas globaliser la structure des protéines).

Forces qui stabilisent l'ARN

Il existe des interactions faibles qui contribuent à la stabilisation de l'ARN, en particulier l'empilement de bases, où les anneaux sont situés l'un sur l'autre. Ce phénomène contribue également à la stabilité de l'hélice de l'ADN.

Si la molécule d'ARN trouve une séquence complémentaire, elle peut être couplée et former une structure à double chaîne qui tourne vers la droite. La forme prédominante est le type A; quant aux formes Z, elles n'ont été mises en évidence qu'au laboratoire, alors que la forme B n'a pas été observée.

En général, il existe de courtes séquences (comme UUGG) situées à la fin de l'ARN et qui présentent la particularité de former des boucles stable Cette séquence participe au repliement de la structure tridimensionnelle de l'ARN.

De plus, des liaisons hydrogène peuvent être formées sur d'autres sites qui ne sont pas les accouplements de base typiques (AU et CG). L'une de ces interactions se produit entre les groupes 2'-OH du ribose et d'autres groupes.

La dilution des différentes structures présentes dans l'ARN a permis de mettre en évidence les multiples fonctions de cet acide nucléique.

Types d'ARN et fonctions

Il existe deux types d’ARN: l’informationnel et le fonctionnel. Le premier groupe comprend les ARN qui participent à la synthèse des protéines et fonctionnent comme intermédiaires de processus; les ARN informationnels sont les ARN messagers.

En revanche, les ARN appartenant à la deuxième classe, les fonctionnels, ne donnent pas lieu à une nouvelle molécule de protéine et l'ARN lui-même est le produit final. Ce sont les ARN de transfert et les ARN ribosomiques.

Dans les cellules de mammifères, 80% de l'ARN est l'ARN ribosomal, 15% est l'ARN de transfert et seule une petite partie correspond à l'ARN messager.Ces trois types travaillent en coopération pour obtenir la biosynthèse des protéines.

Il existe également de petits ARN nucléaires, de petits ARN cytoplasmiques et des microARN, entre autres. Ensuite, chacun des types les plus importants sera décrit en détail:

Messenger RNA

Chez les eucaryotes ADN est confiné dans le coeur, tandis que la synthèse des protéines se produit dans le cytoplasme de la cellule, où les ribosomes. Pour cette séparation spatiale, il doit y avoir un médiateur qui transporte le message du noyau au cytoplasme et cette molécule est l'ARN messager.

L'ARN messager, de l'ARNm en abrégé, est une molécule intermédiaire qui contient l'information codée dans l'ADN qui indique une séquence d'acides aminés qui résulte en une protéine fonctionnelle.

Le terme ARN messager a été proposé en 1961 par François Jacob et Jacques Monod pour décrire la partie de l'ARN qui a transmis le message de l'ADN aux ribosomes.

Le processus de synthèse d'un ARNm à partir du brin d'ADN est connu sous le nom de transcription et se produit de manière différentielle entre les procaryotes et les eucaryotes.

L'expression génique est régie par plusieurs facteurs et dépend des besoins de chaque cellule. La transcription est divisée en trois étapes: initiation, élongation et terminaison.

Transcription

Le processus de réplication de l'ADN, qui se produit dans chaque division cellulaire, copie la totalité du chromosome. Cependant, le processus de transcription est beaucoup plus sélectif, ne traite que du traitement de segments spécifiques du brin d'ADN et ne nécessite pas d'amorce.

Dans Escherichia coli -les bactéries les mieux étudiées dans les sciences biologiques - la transcription commence par le déroulement de la double hélice de l'ADN et la boucle de transcription est formée. L'enzyme ARN polymérase est responsable de la synthèse de l'ARN et, à mesure que la transcription se poursuit, le brin d'ADN retrouve sa forme d'origine.

Initiation, élongation et terminaison

La transcription n'est pas initiée à des sites aléatoires dans la molécule d'ADN; il existe des sites spécialisés pour ce phénomène, appelés promoteurs. Dans E. coli l'ARN polymérase est couplée à quelques paires de bases au-dessus de la région cible.

Les séquences où les facteurs de transcription sont couplés sont relativement conservées parmi différentes espèces. L'une des séquences de promoteur les plus connues est la boîte TATA.

En élongation, l'enzyme ARN polymérase ajoute de nouveaux nucléotides à l'extrémité 3'-OH, suivant la direction 5 'à 3'. Le groupe hydroxyle agit comme un nucléophile, attaquant le phosphate alpha du nucléotide à ajouter. Cette réaction libère un pyrophosphate.

Seul un brin de l'ADN est utilisée pour synthétiser l'ARN messager, qui est copié dans le 3 « à 5 » (la forme antiparallèle nouveau brin d'ARN). Le nucléotide à ajouter doit être conforme à l'appariement des bases: U appariement avec A et G avec C.

L'ARN polymérase arrête le processus lorsqu'il trouve des régions riches en cytosine et en guanine. Enfin, la nouvelle molécule d'ARN messager est séparée du complexe.

Transcription en procaryotes

Chez les procaryotes, une molécule d'ARN messager peut coder pour plus d'une protéine.

Quand un ARNm code exclusivement pour une protéine ou d'un polypeptide appelé ARNm monocistronic, mais plus codant pour un produit protéique est l'ARNm polycistronique (notez que dans ce contexte, le terme se réfère à cistron gène).

Transcription chez les eucaryotes

Dans les organismes eucaryotes, la grande majorité des machines sont monocistronic mARN et la transcription est beaucoup plus complexe est la lignée des organismes. Ils sont caractérisés par la présence de trois ARN polymérases, notées I, II et III, chacune ayant des fonctions spécifiques.

Le I est responsable de la synthèse du pré-ARNr, II synthétise les ARN messagers et certains ARN spéciaux. Enfin, III est responsable des ARN de transfert, du ribosomal 5S et d'autres petits ARN.

ARN messager chez les eucaryotes

L'ARN messager subit une série de modifications spécifiques chez les eucaryotes. Le premier implique l'ajout d'un "cap" à l'extrémité 5 '. Chimiquement, le bouchon est un résidu de 7-méthylguanosine ancré à l'extrémité par une liaison du type 5 ', 5'-triphosphate.

La fonction de cette zone est de protéger l'ARN d'une dégradation possible par les ribonucléases (enzymes qui dégradent l'ARN en composants plus petits).

En outre, l'élimination de l'extrémité 3 'se produit et 80 à 250 résidus d'adénine sont ajoutés. Cette structure est connue sous le nom de polyA "tail" et sert de zone de liaison pour plusieurs protéines. Lorsqu'un procaryote acquiert une queue polyA, il a tendance à stimuler sa dégradation.

Par contre, ce messager est transcrit avec les introns. Les introns sont des séquences d'ADN qui ne font pas partie du gène mais "interrompent" la séquence. Les introns ne sont pas traduits et doivent donc être supprimés du messager.

La plupart des gènes de vertébrés ont des introns, à l'exception des gènes qui codent pour les histones. De même, le nombre d'introns dans un gène peut varier de quelques à quelques dizaines.

Épissage de l'ARN

Le sle plâtrage L'ARN ou processus d'épissage implique l'élimination des introns dans l'ARN messager.

Certains introns trouvés dans les gènes nucléaires ou mitochondriaux peuvent effectuer le processus de épissage sans l'aide d'enzymes ou d'ATP. Au lieu de cela, le processus est effectué par des réactions de transestérification. Ce mécanisme a été découvert dans le protozoaire cilié Tetrahymena thermophila.

En revanche, il existe un autre groupe de messagers qui ne sont pas en mesure de épissage, ils ont donc besoin de machines supplémentaires. Un très grand nombre de gènes nucléaires appartient à ce groupe.

Le processus de épissage il est véhiculé par un complexe protéique appelé spiceosome ou complexe d'épissage. Le système est composé de complexes d'ARN spécialisés appelés petites ribonucléoprotéines nucléaires (RNP).

Il existe cinq types de RNP: U1, U2, U4, U5 et U6, qui se trouvent dans le noyau et interviennent dans le processus de épissage

Le épissage peut produire plus d'un type de protéine - c'est ce qu'on appelle épissage alternative-, puisque les exons sont disposés différemment, créant des variétés d'ARN messager.

ARN ribosomique

L'ARN ribosomal, abrégé en ARNr, se trouve dans les ribosomes et participe à la biosynthèse des protéines. C'est donc un composant essentiel de toutes les cellules.

L'ARN ribosomal est associé à des molécules de protéines (environ 100) pour donner naissance aux présubésités ribosomiques. Ils sont classés en fonction de leur coefficient de sédimentation, désigné par la lettre S des unités de Svedberg.

Un ribosome est composé de deux parties: la sous-unité majeure et la sous-unité mineure. Les deux sous-unités diffèrent entre procaryotes et eucaryotes en termes de coefficient de sédimentation.

Les procaryotes possèdent une grande sous-unité 50S et une petite sous-unité 30S, tandis que dans les eucaryotes, la grande sous-unité est 60S et la petite sous-unité 40S.

Les gènes qui codent pour l'ARN ribosomal sont dans le nucléole, une zone particulière du noyau qui n'est pas délimitée par une membrane. Les ARN ribosomiques sont transcrits dans cette région par l'ARN polymérase I.

Dans les cellules qui synthétisent de grandes quantités de protéines; le nucléole est une structure importante. Cependant, lorsque la cellule en question ne nécessite pas un grand nombre de produits protéiques, le nucléole est une structure presque imperceptible.

Traitement de l'ARN ribosomal

La grande sous-unité ribosomale 60S est associée aux fragments 28S et 5.8S. En ce qui concerne la petite sous-unité (40S), elle est associée à 18S.

Chez les eucaryotes supérieurs, le pré-ARNr est codé dans une unité transcriptionnelle de 45S, qui implique l'ARN polymérase I. Cette transcription est traitée dans les ARN ribosomiques matures 28S, 18S et 5.8S.

Au fur et à mesure de la synthèse, le pré-ARNr est associé à différentes protéines et forme des particules de ribonucléoprotéine. Ceci subit une série de modifications ultérieures qui incluent la méthylation du groupe 2'-OH du ribose et la conversion des résidus de l'uridine en pseudouridine.

La région où ces changements se produiront est contrôlée par plus de 150 petites molécules d'ARN nucléolaire, capables de se fixer au pré-ARNr.

Contrairement au reste du pré-ARNr, le 5S est transcrit par l'ARN polymérase III dans le nucléoplasme et non à l'intérieur du nucléole. Après avoir été synthétisé, le nucléole est assemblé avec le 28S et le 5.8S, formant les unités ribosomales.

À la fin du processus d'assemblage, les sous-unités sont transférées dans le cytoplasme par les pores nucléaires.

Polyribosomes

Il peut arriver qu'une molécule d'ARN messager donne naissance à plusieurs protéines à la fois, réunissant plusieurs ribosomes. Au fur et à mesure que le processus de traduction progresse, la fin du messager est libre et peut être captée par un autre ribosome, ce qui déclenche une nouvelle synthèse.

Par conséquent, il est fréquent de trouver des ribosomes regroupés (entre 3 et 10) dans une seule molécule d'ARN messager, et ce groupe est appelé polyribosome.

Transfert d'ARN

L'ARN de transfert est responsable du transfert des acides aminés au fur et à mesure de la synthèse des protéines. Ils sont composés d'environ 80 nucléotides (par rapport à l'ARN messager, il s'agit d'une "petite" molécule).

La structure a des plis et des croix qui ressemblent à un trèfle à trois bras. Un cycle adénylique est situé à une extrémité, où le groupe hydroxyle du ribose assure la liaison avec l'acide aminé à transporter.

Les différents ARN de transfert sont combinés exclusivement avec l'un des vingt acides aminés qui forment les protéines; en d'autres termes, c'est le véhicule qui transporte les éléments fondamentaux des protéines. Le complexe d'ARN de transfert associé à l'acide aminé est appelé aminoacyl-ARNt.

De plus, dans le processus de traduction - qui se produit grâce aux ribosomes -, chaque ARN de transfert reconnaît un codon spécifique dans l'ARN messager. Lorsqu'il est reconnu, l'acide aminé correspondant est libéré et devient une partie du peptide synthétisé.

Pour reconnaître le type d'acide aminé qui doit être délivré, l'ARN possède un "anticodon" situé dans la région médiane de la molécule.Cet anticodon est capable de former des liaisons hydrogènes avec les bases complémentaires présentes dans l'ADN messager.

MicroARN

MiRNA microARN sont un type ou un court ARN simple brin, entre 21 et 23 nucléotides, dont la fonction est de réguler l'expression génique. Comme il ne se traduit pas par des protéines, il est généralement appelé ARN non codant.

Comme les autres types d'ARN, le traitement des microARN est complexe et implique une série de protéines.

Les microARN proviennent de précurseurs plus longs appelés ARNm-pri, dérivés de la première transcription du gène. Dans le noyau cellulaire, ces précurseurs sont modifiés dans le microprocesseur complexe et le résultat est une pré-miARN.

Le pré-miARN sont des fourches 70 nucleotides poursuivre le traitement dans le cytoplasme par une enzyme appelée Dicer, qui relie le complexe (RISC) complexe RNA-induced silencing et enfin le miARN est synthétisé.

Ces ARN sont capables de réguler l'expression des gènes, car ils sont complémentaires d'ARN messagers spécifiques. Lorsqu'ils sont associés à sa cible, les miARN peuvent réprimer le messager ou même le dégrader. Par conséquent, le ribosome ne peut pas traduire ladite transcription.

ARN de silence

Un type particulier de micro-ARN est un petit ARN interférent (ARNi), également appelé ARN silencieux. Ce sont des ARN courts, entre 20 et 25 nucléotides, qui entravent l’expression de certains gènes.

Ce sont des instruments de recherche très prometteurs, car ils permettent de faire taire un gène d'intérêt et d'étudier ainsi sa fonction possible.

Différences entre l'ADN et l'ARN

Bien que l'ADN et l'ARN soient des acides nucléiques et qu'ils puissent sembler très similaires à première vue, ils diffèrent par plusieurs de leurs propriétés chimiques et structurelles. L'ADN est une molécule à double bande, tandis que l'ARN est une bande simple.

Par conséquent, l'ARN est une molécule plus polyvalente et peut adopter une grande variété de formes tridimensionnelles. Cependant, certains virus ont un ARN double brin dans leur matériel génétique.

nucleotides d'ARN dans la molécule de sucre est un ribose, tandis que l'ADN est un désoxyribose, ne différant que par la présence d'un atome d'oxygène.

squelette phosphodiester dans la liaison de l'ADN et l'ARN est susceptible d'avoir un processus d'hydrolyse lente sans la présence d'enzymes. Dans des conditions d'alcalinité, l'ARN s'hydrolyse rapidement - grâce au groupe hydroxyle supplémentaire - alors que l'ADN ne le fait pas.

De même, les bases azotées qui constituent les nucléotides dans l'ADN sont la guanine, l'adénine, la thymine et la cytosine; En revanche, la thymine est remplacée par l'uracile dans l'ARN. L'uracile peut être associé à l'adénine, de la même manière que la thymine dans l'ADN.

Origine et évolution

L'ARN est la seule molécule connue capable de stocker des informations et de catalyser des réactions chimiques en même temps; Par conséquent, plusieurs auteurs proposent que la molécule d'ARN soit cruciale à l'origine de la vie. De manière surprenante, les substrats des ribosomes sont d'autres molécules d'ARN.

La découverte de la redéfinition ribozymes de biochimie de « enzyme » -Depuis avant le terme a été utilisé uniquement pour des protéines ayant une activité catalytique, et a contribué à soutenir un scénario dans lequel les premières formes de vie utilisées comme matériel génétique que l'ARN.

Références

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Biologie Moléculaire De La Cellule. 4ème édition. New York: Science de la guirlande. De l'ADN à l'ARN. Disponible à: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, J.M., Stryer, L. et Tymoczko, J.L. (2007). Biochimie. J'ai inversé
3. Campbell, N. A. et Reece, J. B. (2007). Biologie. Ed. Panamericana Medical.
4. Griffiths, A. J. F., Gelbart, W. M., Miller, J. H., et al. (1999). Analyse génétique moderne. New York: W. H. Freeman. Gènes et ARN. Disponible à: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, A.C., Hall, J.E. et Guyton, A.C. (2006). Traité de physiologie médicale. Elsevier
6. Hall, J. E. (2015). Livre électronique de Guyton et Hall sur la physiologie médicale. Elsevier Health Sciences.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L. et al. (2000) Biologie cellulaire moléculaire. 4ème édition. New York: W. H. Freeman. Section 11.6, Traitement de l'ARNr et de l'ARNt. Disponible à: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, D. L., Lehninger, A. L. et Cox, M. M. (2008). Les principes de Lehninger en biochimie. Macmillan.