TEMA 14: ESTRUCTURA DE LOS RNA

Estructura primaria de los RNA

En el RNA hay uracilo en lugar de timina y hay ribosa en

lugar de 2-desoxirribosa. El enlace es el mismo que se da en

las cadenas de desoxiribonucleótidos, es un enlace

fosfodiéster entre los carbonos 5’ y 3’ de la ribosa.

Existe la posibilidad de formación de enlaces fosfodiéster entre las posiciones 5’ y 2’ del

siguiente nucleótido. Se trata de enlaces más estables pero no están presentes en los

polinucleóticos debido a que tendrían una tendencia demasiado elevada para formar

estructuras de orden superior como las triples hélices.

Algunas moléculas presentan este tipo de enlace, un pequeño oligorribonucleótido que forma

enlaces entre la posición 5’ y 2’ de la ribosa siguiente. Es un oligonucleótido que se induce por

interferones (respuestas celulares a la infección por virus).

Cuando las células son infectadas, en una respuesta

dependiente de interferones se activa una sintasa que es

capaz de sintetizar el pequeño oligorribonucleótido de la

figura que activa a su vez una RNAasa cuya función es la

degradación de RNA vírico. Forma parte de la cascada de

defensa contra infecciones virales.

Estructura secundaria de los RNA: dobles hélices

Normalmente, los ribonucleótidos de los RNA están unidos por enlaces 3’-5’ y se presentan

como moléculas monocatenarias (los víricos pueden ser de doble cadena), pero pueden

presentar regiones complementarias que dan lugar a estructuras de doble cadena parcial.

Una región del RNA con apareamientos de tipo Whatson-Crick da lugar a una doble hélice tipo

A. Frecuentemente, como la complementariedad no es absoluta se obtienen zonas con

nucleótidos desapareados, burbujas, horquillas y lazos.

Normalmente los apareamientos que se producen en el RNA son los mismos apareamientos

que se dan en el DNA: A-T y G-C. A veces, pueden darse distintas posibilidades, al no existir una

complementariedad absoluta de las dos cadenas es posible que los … distinta estructura en la

que distintas bases de distintas regiones forman dúplex.

Cada tipo de apareamiento tiene una contribución específica a la energía total, por tanto, se

formará la estructura más estable energéticamente (ver tabla siguiente). Son posibles

apareamientos que no se dan en el DNA como, por ejemplo, el apareamiento G-U.

En el DNA la secuencia tiene microdefectos en la estructura que se relacionaba con el

reconocimiento, en el DNA lo importante está en la secuencia de bases. Es importante que la

estructura se reconozca. En el RNA no es así, en el RNA la estructura secundaria y terciaria que

adopta en disolución no es indiferente, es lo que va a permitir que pueda hacer una cosa u

otra porque los reconocimientos en el caso del RNA, es muy raro que se produzcan leyendo la

secuencia de bases, normalmente se reconoce la estructura 2ª y 3ª que adoptan porque tienen

una mayor heterogeneidad en cuanto a adoptar estructuras. En el DNA no, en el DNA lo

importante es la secuencia, y si se reconocen características más allá de la secuencia son para

permitir el reconocimiento de la secuencia. La secuencia influye en la estructura para que se

reconozca la secuencia por las proteínas de reconocimiento. En el RNA se va a reconocer la

estructura.

Pueden adoptar distintos tipos de estructura y los apareamientos están en función de la

secuencia de bases y se va a formar la estructura con una energía libre menor.

En el RNA la estructura 2 y 3 que adopta es la base de su función, no es indiferente la adopción

de la estructura. Se reconoce la estructura 2a y 3ª.

Conformación de la doble hélice de RNA

El RNA no adopta la estructura B cuando forma la doble hélice porque la ribosa del RNA tiene

un grupo hidroxilo en posición 2’ que no existe en el DNA. En la figura se ha añadido el

hipotético 2’-OH a una cadena de DNA-B. Se puede observar el contacto desfavorable entre el

átomo de oxígeno del 2’-OH con los átomos del fosfato, el azúcar y la base adyacente. En el

DNA-A la estructura sobresale de la superficie de la hélice.

En el RNA, la conformación La conformación C2’-endo de la ribosa daría lugar a interacciones

DESFAVORABLES con átomos vecinos. Por ello, se prefiere llevar el 2’-OH fuera de la doble

hélice, y cuando se va a formar una doble hélice de RNA va a adoptar una conformación C3’-

endo.

La doble hélice de RNA es siempre de tipo A. Características de la estructura RNA-A:

- Más compacta que el DNA-A.

- Tiene 12 pares de bases por vuelta de hélice.

- Surcos poco pronunciados.

- La inclinación de los pares de bases es mayor que en el DNA-B.

- Bases nitrogenadas están colocadas más hacia el exterior dejando un hueco en el centro.

Estructura secundaria de los híbridos DNA-RNA

Los Híbridos DNA-RNA adoptan estructura tipo A.

Los híbridos DNA-RNA son más estables que

cualquiera de los homólogos DNA-DNA o RNA-

RNA. En la transcripción el RNA que está siendo

síntetizado se mantiene en la burbuja de

transcripción por interacción de DNA-RNA. En la

transcripción inversa también se forma un híbrido

DNA-RNA.

Pseudonudos (estructura secundaria)

Son apareamientos (formación de dobles hélices tipo A) que

implican regiones alejadas en la estructura primaria del RNA

y que implican al menos dos regiones de doble cadena. Se

producen apareamientos Watson- Crick y G=U. La

estructura más típica es el tipo H (figura C).

La región roja se aparea con la verde (A) para formar un

tallo y un lazo (B). Después, la parte de abajo del lazo se

aparea con otra región y se obtiene una estructura con 2

regiones dúplex separados por 2 lazos.

Se conocen pseudonudos en la mayoría de los RNA con estructura secundaria: virus de RNA

(TMV, SARS), en ribozimas (su actividad enzimática depende de la formación de pseudonudos),

intrones (muchos intrones autoescindibles dependen de que se forme un pseudonudo),

retrovirus (HIV) y también algunos mRNA.

El virus hepatitis delta tiene un pseudonudo con 5

zonas de hélice en 2 asociaciones (P1-P4 y P2-P3)

separadas por loops. El virus se replica por un

mecanismo de círculo rodante (está implicado en la

actividad nucleasa que va liberando las unidades

víricas).

Distribución subcelular de los RNA

- Nucleares: 11%

- Mitocondrias: 15%

- Ribosomas: 50%

- Citosol: 24%

Tipos de RNA

Tipos principales, abundancia, longitud distribución

RNA mensajero (mRNA)

Los mRNA son muy heterogéneos. Su función no depende directamente de características

estructurales, pero sí de la secuencia. Tienen un CAP en el extremo 5’ y una cola poliA en 3’. El

CAP es una unión 5’-5’ entre un ribonucleótido y la 7-metilguanosina con un trifosfato que

hace de puente. En los mRNA las bases y los azúcares pueden estar modificados, sobre todo

por metilaciones.

RNA de transferencia (tRNA)

La estructura secundaria del tRNA tiene

forma de trébol con una serie de brazos.

Los más importantes desde el punto de

vista funcional son:

- Brazo aceptor (muy conservado)

en el que siempre hay una doble hélice

7 pares de bases y que acaban igual en

3’ (es una modificación por adición, la

secuencia CCA está presente en todos

los tRNA porque se añade

postranscripcionalmente dejando un 3’-

OH donde se une el aminoácido.

- Brazo del anticodón (muy

conservado), se produce el

apareamiento tRNA-mRNA. Tiene una

doble hélice de 5 pares de bases y un

loop que contiene el anticodón.

Los otros brazos presentan más diversidad en cuanto a la

estructura de la hélice y la longitud del loop. Tanto el brazo

pseudouridina como el brazo dihidrouridina tienen un lazo

variable tiene una longitud entre 4 y 21 bases. Son frecuentes

las bases modificadas en el tRNA.

El tRNA se sintetiza en forma de un precursor, se realizan una

serie de cortes por ribonucleasa, y el extremo 3’ del brazo

aceptor (zona por donde se va a unir el aminoácido) se añade

postranscripcionalmente. Luego tiene lugar toda la

maquinaria de modificación de las bases.

Apareamientos en el tRNA

Apareamientos: Los W-C

Arriba a la derecha: W-C reverso. Medio izquierda: Hoostin reverso (implica el anillo de 5 y está

girado).

Hay mucha variedad de apareamientos porque son moléculas pequeñas y flexibles que no

tienen la rigidez estructural de una cadena muy larga de DNA. Se pueden producir triples

apareamientos (3 bases que se unen), siempre en el centro haya una base púrica que se puede

aparear al mismo tiempo mediante interacciones tipo Watson-Crick y mediante interacciones

tipo Hoostin. Esto es importante, porque los triples apareamientos permiten doblar zonas de

doble hélice para conectarlas con regiones separadas. Esto da lugar a todos los tipos de

enlaces que permite doblar la cadena.

Estructura terciaria del tRNA

La estructura tridimensional del tRNA tiene forma de “L”. Tiene en común con la forma de

trébol que el brazo aceptor está en el otro extremo del brazo anticodón.

Los apareamientos atípicos que se muestran en la figura contribuyen a la formación de la

estructura terciaria: las G y U permiten apareamientos no W-C, U se puede aparear con A o C

en la 3º posición del codón porque es más laxa, y G se puede aparear con C y U.

RNA ribosómico (rRNA)

Constituyen el 65% de la masa de los ribosomas. Son RNA grandes y complejos. En células

eucarióticas existen 3 tipos de rRNA: 5S, 7S, 18S, 28S.

RNA reguladores (RNA no codificadores)

- La expresión genética puede ser regulada por moléculas de RNA no codificadoras.

- En algunos casos inhiben la traducción por interferencia de RNA y degradación de mRNA.

- Pueden inducir modificaciones en las histonas, lo que provoca condensación de cromatina

y formación de heterocromatina.

Inhiben la función del RNA e inducen la degradación de mensajeros. Afectan a la cromatina,

inducen transición de una zona de eucromatina a una zona de heterocromatina para silenciar

genes.

Small interfering RNA (siRNA)

- Interfiere con la expresión de genes específicos.

- RNA de doble cadena, 20‐21 nucleótidos.

- Se origina a partir de dsRNA (double strand RNA) de mayor tamaño.

- Promueven el silenciamiento génico.

Los siRNA son RNA de doble cadena de longitud pequeña

(25 nucleótidos), que tienen homología con algún RNA

mensajero.

Los siRNA pueden proceder exógenamente (añadiendo

siRNA se silencian genes o son introducidos por virus) y

endógenamente (la propia célula contiene siRNA para

silenciar genes).

Son procesados por ribonucleasa DICER que los trocea y

una parte se une al complejo RISC que hace de guía para

que el complejo se aparee con el RNA diana que va a

silenciar, se forma complejo guiado por el apareamiento

RNA-RNA, se degrada el RNA impidiendo expresión del

mensajero.

MicroRNA (miRNA)

- Transcritos de regiones no codificantes.

- 20‐25 nucleótidos.

- Se asocia con el RNA‐induced silencing complex (RISC) con lo que separan y marcan mRNA

para su corte.

- En la represión transcripcional se una RITS (RNA induced transcriptional silencing)

propiciando la formación de heterocromatina.

Los micro RNA son RNA de cadena sencilla aunque

tienen ciertas regiones de apareamiento. Son

transcritos por la RNA polimerasa II.

El miRNA está en un intrón entre 2 exones (parte

izquierda de la figura).

En la parte derecha de la figura, un gen codificante, se

expresa como gen RNA con las mismas características

de los transcritos de la RNA polimerasa II: una

estructura CAP en el extremo 5’ y una cola poliA en 3’.

Tienen algunas regiones dúplex que se caracterizan por

poseer 2 o 3 nucleótidos desapareados en 5’ que son

reconocidos por una maquinaria de exportación

específica (la exportina 5 es una carioferina que

exporta macromoléculas el núcleo).

En el citoplasma se da procesamiento similar a los del siRNA. DISER procesa el miRNA y se

genera un trozo de RNA de cadena sencilla que se une al complejo RISC y guía el complejo a su

diana para degradarlo.

Small Nuclear RNA (snRNA)

- RNAs de pequeño tamaño que se localizan en el núcleo de las células eucariotas.

- Transcritos por la RNA pol II o RNA pol III.

- Incluyen RNAs que parAcipan en el splicing de intrones y los llamados snoRNAs (small

nucleolar RNAs)

No se pueden llamar reguladores, simplemente participan en funciones importantes en la

expresión génica y tienen diversas funciones. Se localizan en el núcleo. Los mejor

caracterizados son los que participan en el splicing (son esenciales para la función del

splicesoma1).

snoRNA

Están implicados en la maduración de RNA ribosómicos. Los RNA ribosómicos son muy largos y

se tienen que modificar en posiciones específicas. Para que el sistema enzimático modificador

identifique qué ribosa hay que metilar o que uridina tiene que cambiar, los enzimas son

complejos entre porteínas y snoRNA, los snoRNA les hacen de guía para llevar al sistema

enzimático a la secuencia donde se introduce la metilación porque las secuencias son

homólogas con los que hibridan con ellos y posicionan al enzima para que lleve a cabo su

acción enzimática sobre determinadas ribosas (en el caso de la figura) del rRNA.

1 Complejo de distintas proteínas con RNA

Ribointerruptores

Están presentes estructuras determinados RNA. La mayoría unen moléculas pequeñas, por

ejemplo, S-adenosín-metionina, pirofosfato de tiamina, o bases púricas. Forman una

estructura que presenta afinidad por la molécula y como consecuencia de la unión de la

pequeña molécula cambia su estructura secundaria (cambian los patrones de apareamiento)

cambiando la función del RNA que lo contiene.

Ejemplo: Ribointerruptor regulado por la temperatura. A baja temperatura adopta una

determinada estructura y cuando la temperatura es alta es patrón de apareamientos cambia y

como consecuencia funciona de otra forma. Muchos de ellos se van en la parte 5’ de los

mensajeros de forma que el que esté en on o en off permite que el mensajero se traduzca o

que no se traduzca. (Estructura accesible al ribosoma o no).