ARN: Qué es, qué hace y por qué es una de las moléculas más importantes de la vida

Por JV Chamary, publicado en Scienne Focus e´ 22-10-2022

Además de ser el material genético que el antepasado de todos los seres vivos puede haber utilizado, el ARN es parte integral de muchos procesos esenciales dentro de nuestras células y alrededor del cuerpo.

¿De qué está hecho el ARN?

Al igual que su primo químico más famoso, el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) es un ácido nucleico, una molécula ensamblada a partir de una cadena de bloques de construcción llamados nucleótidos. En términos de composición, cada nucleótido viene con una letra química o “base”:

• Adenina (A)
• Citosina (C)
• Guanina (G)
• Timina (T)
• Uracilo (U)

Aunque ambas formas de ácido nucleico usan un alfabeto de cuatro letras que incluye A, C y G, el ADN usa T, mientras que el ARN usa U.

Sin embargo, es una diferencia relativamente trivial, ya que T y U se leen como bases equivalentes, como versiones mayúsculas y minúsculas de la misma letra.

El ARN es a menudo una cadena independiente. Sin embargo, en las células complejas, las hebras de ADN están dispuestas como cromosomas: están envueltas alrededor de grandes proteínas histonas, como hilo enrollado alrededor de un carrete. Esa disposición es posible porque, con millones de letras, el ADN es generalmente varios órdenes de magnitud más largo que el ARN.

Los ARN más cortos son microARN y ARN de interferencia pequeña, con solo 20-30 nucleótidos de tamaño, y el ARN más largo en humanos es una copia del gen de la titina, con 109,224 letras de largo.

¿Qué hace el ARN?

El ARN transporta información biológica. La función del ADN es almacenar información en el genoma: el libro de la vida o el manual de instrucciones para crear un organismo.

El ARN, por otro lado, desempeña varios roles que influyen en cómo se leen los genes (instrucciones del ADN), lo que determina características como las características observables y la fisiología.

El genoma humano contiene más de 6 mil millones de letras, pero solo alrededor del 1 por ciento del ADN codifica genes para producir proteínas, las moléculas que realizan la mayoría de las tareas, como trabajar como enzimas (catalizadores biológicos) que desencadenan las reacciones químicas que sostienen la vida.

El 99 por ciento restante no es codificante: la mayoría es “ADN basura” inofensivo, pero algunos son genes cuyo producto final es el ARN mismo.

¿Cuál es la diferencia entre ARN y ADN?

El ARN es “ácido ribonucleico” y el ADN es “ácido desoxirribonucleico”.

Las dos formas de ácido nucleico tienen esqueletos similares, que consisten en dos grupos químicos alternos: fosfato y un azúcar, ribosa. A los azúcares en la columna vertebral del ADN les falta un grupo hidroxilo (hidrógeno más oxígeno), convirtiendo la ribosa en desoxirribosa.

Esta pequeña diferencia tiene un gran impacto en la química: con su azúcar ribosa más reactiva, es más probable que el ARN reaccione con otras moléculas, e incluso consigo mismo.

Los dos ácidos nucleicos también difieren en estructura. Mientras que el ARN es típicamente una molécula de una sola cadena, el ADN forma la icónica doble hélice: hebras duales que giran en espiral una alrededor de la otra como una escalera retorcida.

Los peldaños de la escalera representan enlaces de hidrógeno: atracciones electrostáticas que unen letras complementarias en hebras opuestas en pares: A con T, C con G. Ese emparejamiento de bases ocurre a lo largo del ADN, manteniendo sus hebras juntas, como dientes en dos mitades de una cremallera.

A diferencia del ADN, el ARN no suele existir como una molécula larga de doble cadena, sino como una cadena solitaria. Y, sin embargo, las letras complementarias de secciones separadas de una cadena de ARN pueden emparejarse (‘AAAA’ que coincide con ‘UUUU’, por ejemplo), lo que forma regiones de doble cadena llamadas tallos.

Sin embargo, tal emparejamiento no ocurre en todos los puntos de la molécula, y muchas secciones permanecen de una sola cadena. En general, un ARN a menudo incluirá estructuras conocidas como “bucles de horquilla”. El ARN a veces puede emparejarse con el ADN, pero la diferencia de tamaño significa que no se producen híbridos completos de ADN-ARN.

Una infografía que muestra la diferencia entre la estructura © del ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN)

¿Por qué el ARN es relativamente inestable?

El ADN está dispuesto en cromosomas, lo que ayuda a proteger su integridad estructural. La doble hélice también es más estable que el ARN gracias a los enlaces entre pares de bases a lo largo de toda su longitud. Por el contrario, las moléculas de ARN tienen tallos bicatenarios cortos (si los hay) que las mantienen unidas, lo que las hace más propensas a desmoronarse. Debido a que los bucles monocatenarios del ARN no participan en el emparejamiento de bases, también están expuestos y son vulnerables a las enzimas que descomponen los ácidos nucleicos.

La estabilidad explica por qué el ARN y el ADN tienden a tener funciones distintas, a pesar de que ambos son capaces de transportar genes. Ser más estable significa que el ADN es una mejor molécula para el almacenamiento permanente de instrucciones genéticas, que deben heredarse casi sin cambios de una generación a la siguiente.

Pero la inestabilidad del ARN tiene sus ventajas, ya que una copia de ARN de un gen permite que las instrucciones tengan un efecto temporal: por ejemplo, si el ADN instruyera directamente a las células del páncreas para que produjeran proteína insulina, el cuerpo seguiría convirtiendo la glucosa en glucógeno o grasa, evitando que se use como combustible.   Por lo tanto, copiar ADN a ARN es útil para producir proteínas.

¿Cómo se usa el ARN para producir proteínas?

El ARN es parte integral de la expresión génica, el proceso de síntesis de una proteína siguiendo instrucciones codificadas en el ADN. El primer paso implica ARN polimerasa, una enzima que desenrolla y descomprime la doble hélice para acceder a un gen codificador de proteínas. La secuencia de ADN del gen se utiliza como plantilla para transcribir una copia de ARN de ese gen, que la polimerasa ensambla a partir de una cadena de nucleótidos.

El paso de transcripción se asemeja a la replicación del ADN, el proceso que duplica el genoma de una célula antes de que se divida. En organismos como las bacterias, esa división celular implica fisión binaria, mientras que los eucariotas, organismos donde el ADN está contenido dentro de un núcleo celular, duplicarán su ADN durante la división por mitosis.

En las células de un eucariota, la copia recién transcrita de un gen se exporta al citoplasma como “ARN mensajero precursor” (pre-ARNm). Los genes codificadores de proteínas rara vez son una secuencia continua de ADN, pero comúnmente se dividen en segmentos cuyo ARN se empalma en combinaciones alternativas, como un corte regular y el corte del director de una película, por lo que un gen puede producir numerosas proteínas diferentes.

El proceso de empalme produce una molécula de ARNm cuyo alfabeto de nucleótidos (A-C-G-U) debe traducirse en aminoácidos, los bloques de construcción y el lenguaje de las proteínas.

El paso de traducción involucra el ribosoma, una fábrica de fabricación de proteínas que utiliza otro tipo de ARN: un adaptador en forma de hoja de trébol llamado ARN de transferencia (ARNt), que coincide con una palabra de tres letras (codón) en el ARNm y también lleva un aminoácido específico (como ‘AUG’ para el ARNt que lleva metionina).

Al igual que el papel que pasa a través de una impresora, una hebra de ARNm se extrae a través de un ribosoma a medida que un ARNt a la vez se une a su palabra correspondiente y su aminoácido se agrega a una cadena en crecimiento. Esa cadena se pliega en una estructura 3D en el paso final de la síntesis de proteínas.

¿Qué es el mundo del ARN?

El mundo del ARN es una teoría relacionada con el origen de la vida. Más precisamente, es una hipótesis de cómo los genes se replicaron y adaptaron en la Tierra prebiótica; evolución antes de que surgiera la vida. Eso requiere un sistema genético.

Hoy en día, las células usan un sistema en el que las instrucciones en el ADN producen proteínas mientras que las proteínas replican el ADN, lo que crea una paradoja del huevo o la gallina. ¿Qué fue primero?

Una solución es ninguna de las dos.

Según la hipótesis del mundo del ARN, los primeros sistemas giraban en torno al ARN. La evidencia más fuerte para apoyar esa idea proviene de la fábrica de proteínas de la célula, el ribosoma: en lugar de construirse a partir de proteínas, el componente central de un ribosoma es en realidad una molécula similar a una enzima hecha de ARN ribosómico (ARNr): una ribozima.

Desde entonces, los científicos han descubierto otras ribozimas y han diseñado ARN autorreplicantes como prueba de concepto de lo que podría haber existido en un mundo de ARN.

Aunque la hipótesis puede no ser correcta, sí explica la versatilidad de la molécula: el ARN tiene la capacidad no solo de transportar genes sino que, al igual que las proteínas y a diferencia del ADN, la química de su cadena única permite que el ARN se pliegue en una estructura similar a una enzima que puede modificar otras moléculas.

10 hitos en la investigación del ARN

• 1868: Friedrich Miescher aísla el material ‘nucleína’ del núcleo
• 1953: James Watson y Francis Crick descubren la estructura de doble hélice del ADN
• 1961: François Jacob y Jacques Monod sugieren que el ADN se transcribe en ARN
• 1962: Alexander Rich propone una hipótesis, más tarde popularizada como el “Mundo del ARN”
• 1965: Robert Holley revela la estructura tallo-bucle de un adaptador de ARN de transferencia
• 1966: Los científicos descifran el código genético para traducir el ARN en proteína
• 1977: Phillip Sharp y Richard Roberts encuentran genes divididos y empalme de ARN
• 1982: Thomas Cech descubre ribozimas independientes que sirven como catalizadores
• Año 2002: Gerald Joyce crea moléculas de ARN autorreplicantes que pueden evolucionar
• Año 2012: Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna inventan el ARN guía CRISPR