10.3: Estrutura e função do RNA

Objetivos de

• Descreva a estrutura bioquímica dos ribonucleotídeos
• Descreva as semelhanças e diferenças entre RNA e DNA
• Descreva as funções dos três principais tipos de RNA usados na síntese de proteínas
• Explique como o RNA pode servir como informação hereditária

Estruturalmente falando, o ácido ribonucléico (RNA) é bastante semelhante ao DNA. No entanto, enquanto as moléculas de DNA são tipicamente longas e de fita dupla, as moléculas de RNA são muito mais curtas e são tipicamente de fita simples. As moléculas de RNA desempenham uma variedade de funções na célula, mas estão envolvidas principalmente no processo de síntese proteica (tradução) e sua regulação.

Estrutura do RNA

O RNA é tipicamente de fita simples e é feito de ribonucleotídeos que estão ligados por ligações fosfodiéster. Um ribonucleotídeo na cadeia de RNA contém ribose (o açúcar pentose), uma das quatro bases nitrogenadas (A, U, G e C) e um grupo fosfato. A diferença estrutural sutil entre os açúcares confere estabilidade adicional ao DNA, tornando o DNA mais adequado para armazenamento de informações genéticas, enquanto a relativa instabilidade do RNA o torna mais adequado para suas funções de curto prazo.

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Os ribonucleotídeos contêm a pentose açucarada ribose em vez da desoxirribose encontrada nos desoxirribonucleotídeos. (b) O RNA contém a pirimidina uracil no lugar da timina encontrada no DNA.

A pirimidina uracila específica do RNA forma um par de bases complementares com a adenina e é usada em vez da timina usada no DNA. Embora o RNA seja de fita simples, a maioria dos tipos de moléculas de RNA mostra um extenso emparelhamento de bases intramoleculares entre sequências complementares dentro da fita de RNA, criando uma estrutura tridimensional previsível essencial para sua função (Figura\(\PageIndex{1}\) e Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) O DNA é tipicamente de fita dupla, enquanto o RNA é tipicamente de fita simples. (b) Embora seja de fita simples, o RNA pode se dobrar sobre si mesmo, com as dobras estabilizadas por áreas curtas de emparelhamento de bases complementares dentro da molécula, formando uma estrutura tridimensional.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Como a estrutura do RNA difere da estrutura do DNA?

Funções do RNA na síntese de proteínas

As células acessam as informações armazenadas no DNA criando RNA para direcionar a síntese de proteínas por meio do processo de tradução. As proteínas dentro de uma célula têm muitas funções, incluindo construir estruturas celulares e servir como catalisadores enzimáticos para reações químicas celulares que dão às células suas características específicas. Os três principais tipos de RNA diretamente envolvidos na síntese de proteínas são RNA mensageiro (mRNA), RNA ribossômico (rRNA) e RNA de transferência (tRNA).

Em 1961, os cientistas franceses François Jacob e Jacques Monod levantaram a hipótese da existência de um intermediário entre o DNA e seus produtos proteicos, que eles chamaram de RNA mensageiro. ¹ Evidências que apóiam sua hipótese foram coletadas logo depois, mostrando que as informações do DNA são transmitidas ao ribossomo para síntese de proteínas usando mRNA. Se o DNA serve como a biblioteca completa de informações celulares, o mRNA serve como uma fotocópia de informações específicas necessárias em um determinado momento que serve como instruções para produzir uma proteína.

O mRNA carrega a mensagem do DNA, que controla todas as atividades celulares em uma célula. Se uma célula precisar que uma determinada proteína seja sintetizada, o gene desse produto é “ativado” e o mRNA é sintetizado por meio do processo de transcrição (consulte Transcrição de RNA). O mRNA então interage com ribossomos e outras máquinas celulares (Figura\(\PageIndex{3}\)) para direcionar a síntese da proteína que codifica durante o processo de tradução (veja Síntese de Proteínas). O mRNA é relativamente instável e de curta duração na célula, especialmente em células procarióticas, garantindo que as proteínas só são produzidas quando necessário.

Figura\(\PageIndex{3}\): Uma ilustração generalizada de como o mRNA e o tRNA são usados na síntese de proteínas dentro de uma célula.

rRNA e tRNA são tipos estáveis de RNA. Em procariontes e eucariotos, o tRNA e o rRNA são codificados no DNA e depois copiados em moléculas longas de RNA que são cortadas para liberar fragmentos menores contendo as espécies individuais de RNA maduras. Nos eucariotos, a síntese, o corte e a montagem do rRNA em ribossomos ocorrem na região nucléolo do núcleo, mas essas atividades ocorrem no citoplasma dos procariontes. Nenhum desses tipos de RNA traz instruções para direcionar a síntese de um polipeptídeo, mas eles desempenham outros papéis importantes na síntese de proteínas.

Os ribossomos são compostos de rRNA e proteína. Como o próprio nome sugere, o rRNA é um dos principais constituintes dos ribossomos, compondo até cerca de 60% do ribossomo em massa e fornecendo a localização onde o mRNA se liga. O rRNA garante o alinhamento adequado do mRNA, tRNA e dos ribossomos; o rRNA do ribossomo também tem uma atividade enzimática (peptidil transferase) e catalisa a formação das ligações peptídicas entre dois aminoácidos alinhados durante a síntese protéica. Embora há muito se pensasse que o rRNA desempenhava principalmente um papel estrutural, seu papel catalítico dentro do ribossomo foi comprovado em 2000. ² Cientistas dos laboratórios de Thomas Steitz (1940—) e Peter Moore (1939—) da Universidade de Yale conseguiram cristalizar a estrutura do ribossomo de Haloarcula marismortui, uma arqueão halofílica isolada do Mar Morto. Devido à importância desse trabalho, Steitz dividiu o Prêmio Nobel de Química de 2009 com outros cientistas que fizeram contribuições significativas para a compreensão da estrutura do ribossomo.

O RNA de transferência é o terceiro tipo principal de RNA e um dos menores, geralmente com apenas 70 a 90 nucleotídeos de comprimento. Ele carrega o aminoácido correto para o local da síntese protéica no ribossomo. É o emparelhamento de bases entre o tRNA e o mRNA que permite que o aminoácido correto seja inserido na cadeia polipeptídica que está sendo sintetizada (Figura\(\PageIndex{4}\)). Qualquer mutação no tRNA ou no rRNA pode resultar em problemas globais para a célula porque ambas são necessárias para a síntese proteica adequada (Tabela\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Uma molécula de tRNA é uma molécula de fita simples que exibe um emparelhamento significativo de bases intracelulares, dando-lhe sua forma tridimensional característica.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Estrutura e função do RNA

	mRNA	rRNA	tRNA
Estrutura	RNA curto, instável e de fita simples correspondente a um gene codificado no DNA	Moléculas de RNA mais longas e estáveis que compõem 60% da massa do ribossomo	RNA curto (70-90 nucleotídeos), estável com extenso emparelhamento de bases intramoleculares; contém um sítio de ligação de aminoácidos e um sítio de ligação ao mRNA
Função	Serve como intermediário entre DNA e proteína; usado pelo ribossomo para direcionar a síntese da proteína, ele codifica	Garante o alinhamento adequado de mRNA, tRNA e ribossomo durante a síntese de proteínas; catalisa a formação de ligações peptídicas entre aminoácidos	Transporta o aminoácido correto para o local de síntese protéica no ribossomo

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Quais são as funções dos três principais tipos de moléculas de RNA envolvidas na síntese de proteínas?

RNA como informação hereditária

Embora o RNA não sirva como informação hereditária na maioria das células, o RNA tem essa função para muitos vírus que não contêm DNA. Assim, o RNA claramente tem a capacidade adicional de servir como informação genética. Embora o RNA seja tipicamente de fita simples dentro das células, há uma diversidade significativa de vírus. Os rinovírus, que causam o resfriado comum; os vírus da gripe; e o vírus Ebola, são vírus de RNA de fita simples. Os rotavírus, que causam gastroenterite grave em crianças e outros indivíduos imunocomprometidos, são exemplos de vírus de RNA de fita dupla. Como o RNA de fita dupla é incomum em células eucarióticas, sua presença serve como um indicador de infecção viral. As implicações de um vírus com um genoma de RNA em vez de um genoma de DNA são discutidas com mais detalhes em Vírus.

Conceitos principais e resumo

• O ácido ribonucleico (RNA) é tipicamente de fita simples e contém ribose como açúcar pentose e a pirimidina uracil em vez de timina. Uma fita de RNA pode passar por um emparelhamento significativo de bases intramoleculares para assumir uma estrutura tridimensional.
• Existem três tipos principais de RNA, todos envolvidos na síntese de proteínas.
• O RNA mensageiro (mRNA) serve como intermediário entre o DNA e a síntese de produtos proteicos durante a tradução.
• O RNA ribossômico (rRNA) é um tipo de RNA estável que é um dos principais constituintes dos ribossomos. Ele garante o alinhamento adequado do mRNA e dos ribossomos durante a síntese protéica e catalisa a formação das ligações peptídicas entre dois aminoácidos alinhados durante a síntese protéica.
• O RNA de transferência (tRNA) é um pequeno tipo de RNA estável que carrega um aminoácido para o local correspondente de síntese protéica no ribossomo. É o emparelhamento de bases entre o tRNA e o mRNA que permite que o aminoácido correto seja inserido na cadeia polipeptídica que está sendo sintetizada.
• Embora o RNA não seja usado para informações genéticas de longo prazo nas células, muitos vírus usam o RNA como material genético.

Notas de pé

1. 1 A. Rico. “A era do despertar do RNA: biologia estrutural do RNA nos primeiros anos.” Revisões trimestrais de biofísica 42 no. 2 (2009) :117—137.
2. 2 P. Nissen et al. “A base estrutural da atividade do ribossomo na síntese de ligações peptídicas.” Ciência 289 nº 5481 (2000) :920—930.