miniatura|Comparació de l'ARN amb l'ADN (en anglès) Làcid ribonucleic (ARN, conegut igualment per la sigla anglesa RNA) és una molècula polimèrica que té un paper fonamental en la codificació, la descodificació, la regulació i l'empalmament dels gens. L'ARN i l'àcid desoxiribonucleic (ADN) són àcids nucleics, que constitueixen els quatre tipus de macromolècules essencials per a la vida juntament amb els lípids, les proteïnes i els glúcids. Tant l'ADN com l'ARN consisteixen en una cadena de nucleòtids, el primer en forma de doble cadena helicoidal i el segon en forma d'una sola cadena que es plega sobre si mateixa.
Consisteix en una llarga cadena de nucleòtids units entre si. Cada nucleòtid conté una base nitrogenada, una ribosa (sucre) i un grup fosfat. L'ARN és molt similar estructuralment a l'ADN, però té petites diferències pel que fa a l'estructura: en la cèl·lula, l'ARN es presenta en forma de cadena simple; mentre que l'ADN hi és present en forma de doble cadena; els nucleòtids d'ADN contenen desoxiribosa (un tipus de ribosa que té un àtom d'oxigen menys); i l'ARN té la base nitrogenada uracil en lloc de la timina, que és present a l'ADN.
miniatura|esquerra|Bucle de pre-ARN missatger. En verd, les bases i en blau, la coberta. L'ARN es transcriu a partir de l'ADN per enzims anomenats ARN polimerases i és un procés regulat també per altres enzims. L'ARN té una funció central en la síntesi de proteïnes. En aquest cas, un tipus d'ARN, anomenat ARN missatger, porta informació des de l'ADN cap als ribosomes. Aquests ribosomes estan formats de proteïnes i ARN ribosomal, que s'assemblen per formar una molècula que actua com una màquina que pot llegir els ARN missatgers i traduir la informació que porten per formar proteïnes. Hi ha altres ARN que tenen funcions diferents —en particular la de regular quins gens s'expressen, però també quins genomes dels virus s'expressen.
Estructura miniatura|Parells de bases proposats de Watson i Crick en un siARN (no es mostren els àtoms d'hidrogen) Cada nucleòtid de l'ARN conté un sucre del tipus ribosa, amb carbonis numerats de l'1' al 5'. Cada ribosa està unida, en la posició 1', a una base nitrogenada, generalment adenina (A), citosina (C), guanina (G) o uracil (U). L'adenina i la guanina són purines, mentre que la citosina i l'uracil són pirimidines. Un grup fosfat és el darrer element de l'ARN, que s'uneix a aquesta mateixa ribosa per la posició 3' i, a la ribosa següent, per la posició 5', de manera que serveix d'unió de la cadena. Els grups fosfat tenen càrrega negativa a pH fisiològic, convertint l'ARN en una molècula carregada (polianió). Les bases poden formar ponts d'hidrogen entre citosina i guanina, entre adenina i uracil i entre guanina i uracil. De totes maneres, són possibles altres interaccions, com la de dues adenines en un bucle, o el GNRA tetraloòping, que té un parell de bases de guanina-adenina.
miniatura|esquerra|Estructura química de l'ARN Un tret important de l'ARN que el distingeix de l'ADN és la presència d'un grup hidroxil a la posició 2' de la ribosa. La presència d'aquest grup funcional és la causa que l'hèlix adopti la geometria A (hèlix α) més sovint que la forma B (hèlix β), més habitual en l'ADN. Una segona conseqüència de la presència del 2'-hidroxil és que, en zones conformalment flexibles de l'ARN (és a dir, no involucrades en la formació d'una doble hèlix), pot assaltar químicament el pont fosfodièster adjacent per tal de clavar-se al pilar.
miniatura|Estructura secundària d'una telomerasa d'ARN. L'ARN és transcrit només amb quatre bases (adenina, guanina, citosina i uracil), però hi ha nombroses bases i sucres modificats a l'ARN madur. La pseudouridina (Ψ), en la qual la unió entre l'uracil i la ribosa és modificada d'un pont C-N a un pont C-C, i la ribotimidina (T) es localitzen en diversos llocs (el més important, la volta TΨC de l'ARNt). Una altra base modificada notable és la inosina (I). La inosina té un paper clau en el codi genètic. Hi ha prop de 100 altres nucleòsids espontàniament modificats, dels quals la pseudouridina i els nucleòsids amb 2'-O-metilribosa en són els més comuns. Els papers específics de moltes d'aquestes modificacions de l'ARN no estan encara del tot esbrinats. De totes maneres, cal remarcar que en l'ARN ribosòmic, moltes d'aquestes modificacions post-transcripcionals ocorren en regions altament funcionals, com ara el centre i la subunitat interfàsica de la peptidiltransferasa, suggerint un paper important en la funcionalitat normal.
La forma funcional d'una molècula d'ARN monocatenària, igual que les proteïnes, requereix sovint una estructura terciària específica. La bastida per a aquesta estructura és proporcionada pels elements de l'estructura secundària, és a dir, els ponts d'hidrogen de dins la molècula. Això dirigeix diversos dominis reconoscibles, fulles plegades, llaços, bucles i altres formes. Com que l'ARN està carregat, es necessiten els ions metàl·lics com el Mg2+ per estabilitzar l'estructura secundària.
Classificació Els àcids ribonucleics se solen tipificar segons la funció biològica en ARN missatger (ARNm o mRNA), ARN de transferència (ARNt o tRNA), ARN ribosòmic (ARNr o rRNA). Tanmateix es poden diferenciar segons l' estructura en ARN bicatenari o ARN de cadena doble complementària que consta de dos filaments (en els reovirus) i ARN monocatenari.
Comparació amb l'ADN miniatura|Subunitat 50S del ribosoma. L'ARN és taronja, la proteïna és blava. El centre actiu és al mig, en vermell. L'ARN i l'ADN són àcids nucleics, però tenen tres diferències importants. Primer de tot, l'ADN és de doble cadena, mentre que l'ARN és de cadena simple i en la majoria de funcions que ha de fer té una cadena més curta de nucleòtids. Segonament, mentre que l'ADN conté una desoxiribosa, l'ARN conté una ribosa (no té grup hidroxil enganxat a l'anell que forma la pentosa en la posició 2' de l'ADN). Aquests grups hidroxil fan que l'ARN sigui menys estable que l'ADN perquè és més fàcil d'hidrolitzar. Com a tercer, la base complementària de l'adenina no és la timina, com en el cas de l'ADN, sinó que és l'uracil, que és una forma no metilada de la timina.
Igual que l'ADN, la majoria d'ARN actius, inclòs l'ARNm, ARNt, ARNr, ARNsn i altres ARN no codificants, contenen seqüències complementàries d'ells mateixos, que permeten que diverses parts de la cadena s'uneixin i formin dobles hèlixs. Diverses anàlisis d'aquest ARN han revelat que tenen una estructura molt complexa. Al contrari de l'ADN, les seves estructures no consisteixen en dobles hèlixs, sinó que són col·leccions d'hèlixs curtes empaquetades en estructures semblants a proteïnes. Per aquesta raó, l'ARN pot catalitzar reaccions com ho fa un enzim. Per exemple, la determinació de l'estructura del ribosoma (un enzim que catalitza la formació d'un enllaç peptídic) va revelar que és aquest lloc d'activitat es compon solament d'ARN.
Síntesi La síntesi d'ARN està catalitzada normalment per un enizm (l'ARN polimerasa), que fa servir l'ADN com a plantilla, en un procés que s'anomena transcripció. El començament de la transcripció es fa amb la unió de l'enzim amb una seqüència promotora (que normalment es troba al començament del gen). L'ADN de doble hèlix es descaragola gràcies a l'acció de l'helicasa. Llavors, l'enzim avança al llarg de la cadena en sentit 3' cap a 5'. La seqüència d'ADN també dicta quan acaba la síntesi d'ARN.
L'ARN sovint es veu modificat per enzims després de la transcripció. Per exemple, s'afegeix una cua de poliA i un cap a l'extrem 5' i els introns són eliminats per l'espliceosoma.
També hi ha un gran nombre d'ARN polimerases dependents de l'ARN, que utilitzen l'ARN com a plantilla per la síntesi d'ARN. Per exemple, un gran nombre d'ARN de virus (com el virus de la poliomielitis) utilitzen aquest tipus d'enzim per replicar el seu material genètic. A més a més, els d'ARN polimerases dependents de l'ARN són part de la interferència de l'ARN en molts organismes
Tipus L'ARN missatger és l'ARN que du informació des de l'ADN fins al ribosoma, el lloc on es produeix la síntesi de proteïnes (traducció) a la cèl·lula. La seqüència codificada d'ARN missatger determina la seqüència d'aminoàcids en la proteïna que se sintetitza. Tot i això, molts ARN no codifiquen proteïna (vora un 97% de la cadena no és transcriptora, en el cas de cèl·lules eucariotes)Mattick, J.S. (2001). “Noncoding RNAs: the architects of eukaryotic complexity”. EMBO Reports, 2(11), 986-991. Mattick, J.S. (2003). “Challenging the dogma: The hidden layer of non-protein-coding RNAs on complex organisms” Bioessays. 25, 930-939. Mattick, J.S. (2004). “The hidden genetic program of complex organisms” Scientific American. 291(4), 30-37. ).
Aquests fragments que no codifiquen (anomenats ARN no codificants o ncARN) poden ser codificats pels seus propis gens (gens ARN) però també poden derivar dels introns dels ARN missatgers. L'exemple més important d'ARN no codificant és l'ARN de transferència (ARNt) i l'ARN ribosòmic (ARNr). Tots dos estan involucrats en la regulació de gens, el processament d'ARN i altres funcions. Certs ARN poden catalitzar reaccions químiques com per exemple tallar o unir altres ARN moleculars, o la catàlisi d'enllaços peptídics dels ribosomes, anomenats ribozimes.
miniatura|Estructura d'un ribozima que talla l'ARN
Traducció L'ARN missatger (ARNm) porta informació sobre la proteïna als ribosomes, les fàbriques de síntesi de proteïnes a la cèl·lula. Es codifica de manera que cada tres nucleòtids (un codó) es forma un aminoàcid. En les cèl·lules eucariotes, un precursor d'ARN missatger (el pre-ARN missatger) es transcriu a partir de l'ADN, llavors es processa cap a ARN madur. Aquest últim pas suposa l'eliminació d'introns – les regions no codificants del pre-ARNm. Llavors, aquest ARN s'exporta del nucli al citoplasma, on s'uneix als ribosomes i es tradueix la proteïna corresponent amb l'ajut de l'ARNt. En les cèl·lules procariotes, que no tenen ni nucli ni citoplasma, l'ARN missatger pot unir-se als ribosomes mentre està transcrit a partir de l'ADN. Després d'un cert temps, el missatge es degrada amb l'ajut de les ribonucleases.
L'ARN de transferència (ARNt) és un ARN petit, format de 80 nucleòtids que transfereix un aminoàcid específic a un polipèptid creixent i això ho fa a la part del ribosoma on hi ha la síntesi de proteïna durant la traducció. També té lloc per adjuntar els aminoàcids i una regió anticodó per reconèixer el codó, que s'uneix a una seqüència específica de la cadena d'ARN mitjançant un pont d'hidrogen.
L'ARN ribosomal (ARNr) és el component catalític dels ribosomes. Els ribosomes eucariotes conenen 4 tipus diferents de molècules d'ARNr: 18S, 5.8S, 28S i 5S ARNr. Tres d'elles són sintetitzades al nucli cel·lular i una se sintetitza en un altre lloc. En el citoplasma, l'ARN ribosòmic i la proteïna es combinen per formar una nucleoproteïna anomenada ribosoma. El ribosoma s'uneix a l'ARNm i du a terme la síntesi de proteïnes. Molts ribosomes poden unir-se a un ARN lliure en qualsevol moment. L'ARNr és extremadament abundant i representa un 80% de l'ARN trobat en el citoplasma d'una cèl·lula eucariota.
L'ARN de transferència-missatger (tmARN) es troba en diversos bacteris i plastidis. Aquest etiqueta proteïnes codificades per l'ARN missatger que no tenen codons de terminació a causa de la degradació.
ARN de regulació Diversos tipus d'ARN poden provocar una mala regulació de l'expressió dels gens mitjançant la seva complementarietat amb una part de l'ARNm o un gen d'ADN. Els microARN (miARN; 21-22 nt) es poden trobar en eucariotes i actuen mitjançant una interferència d'ARN (ARNi), en la qual un complex de miARn i els enzims poden trencar l'ARNm que li és complementari, poden bloquejar l'ARNm i que no es pugui traduir o bé accelerar-ne la degradació. A més a més, l'ARN d'interferència petit (siARN; 20-25nt) normalment és produït per un trencament de l'ARN viral.