9.13: Ribozimas

Hasta hace unos 20 años, todas las enzimas conocidas eran proteínas. Pero luego se descubrió que algunas moléculas de ARN pueden actuar como enzimas; es decir, catalizar cambios covalentes en la estructura de los sustratos (la mayoría de los cuales también son moléculas de ARN). Las moléculas catalíticas de ARN se llaman ribozimas. La mayoría de las clases de ARN, incluyendo ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosómico (ARNr) y ARN mensajero (ARNm) se transcriben como precursores que son más grandes que el producto final. Estos precursores a menudo contienen secuencias de “cabeza” (5') y “cola” (3') y secuencias de intrones que deben eliminarse para hacer el producto final. Algunas de las etapas de procesamiento emplean otras moléculas de ARN (siempre asociadas con proteínas).

Ribonucleasa P

Casi todos los seres vivos sintetizan una enzima —llamada Ribonucleasa P (RNasa P )— que escinde el extremo de la cabeza (5') de los precursores de las moléculas de ARN de transferencia (ARNt). En bacterias, la ribonucleasa P es un heterodímero que contiene una molécula de ARN y una de proteína. Separados entre sí, el ARN conserva su capacidad para catalizar la etapa de escisión (aunque de manera menos eficiente que el dímero intacto), pero la proteína por sí sola no puede hacer el trabajo.

Figura 9.13.1: Estructura cristalina de una holoenzima P de ribonucleasa bacteriana en complejo con ARNt (amarillo), mostrando iones metálicos involucrados en la catálisis (esferas rosadas), PDB: 3Q1R. (CC BY SA 30; RNamaCGYVER).

Grupo I Intrones

Algunos genes de ARN ribosómico (ARNr), incluidos los del genoma mitocondrial de ciertos hongos (por ejemplo, levaduras), en algunos genomas de cloroplastos y en el genoma nuclear de algunos eucariotas “inferiores” (por ejemplo, el protozoo ciliado Tetrahymena thermophila y el moho de limo plasmodial Physarum polycephalum) contienen intrones que deben ser empalmados para hacer el producto final.

La reacción de empalme es autónoma; es decir, el intrón —con la ayuda de proteínas asociadas— se empalma del ARN precursor. Una vez que se completa la escisión del intrón y el empalme de los exones adyacentes, la historia termina. En otras palabras, aunque la acción es catalizada por el ARN, solo está involucrada una sola molécula de sustrato (a diferencia de las enzimas proteicas que catalizan repetidamente una reacción).

No obstante, las versiones sintéticas de los intrones del Grupo I elaborados en laboratorio pueden —in vitro — actuar repetidamente; es decir, como verdaderas enzimas. El ADN de algunos intrones del Grupo I incluye un marco de lectura abierto (ORF) que codifica una proteína similar a la transposasa que puede hacer una copia del intrón e insertarlo en otra parte del genoma. Todos los intrones del Grupo I comparten una estructura secundaria característica y un modo de acción que los distingue del siguiente grupo.

Grupo II Intrones

Algunos genes de ARN mensajero (ARNm) en el genoma mitocondrial de levaduras y otros hongos (que codifican las proteínas citocromo b y subunidades de citocromo c oxidasa) y en algunos genomas de cloroplastos también contienen intrones autoempalmantes. Debido a que su estructura secundaria y los detalles de la reacción de empalme difieren de los intrones de ARNr discutidos anteriormente, estos se denominan intrones del Grupo II. El ADN de algunos intrones del Grupo II también incluye un marco de lectura abierto (ORF) que codifica una proteína similar a la transposasa que puede hacer una copia del intrón e insertarlo en otra parte del genoma.

Empalmeosomas

Los spliceosomas eliminan intrones y empalman los exones de la mayoría de los genes nucleares. Están compuestos por 5 tipos de moléculas pequeñas de ARN nuclear (ARNsn) y más de 100 moléculas de proteína diferentes. Es el ARN —no la proteína— el que cataliza las reacciones de empalme. Los detalles moleculares de las reacciones son similares a los de los intrones del Grupo II, y esto ha llevado a especular que esta maquinaria de empalme evolucionó a partir de ellos.

Viroides

Los viroides son moléculas de ADN que infectan las células vegetales como lo hacen los virus convencionales, pero son mucho más pequeñas (una tiene solo 246 nucleótidos). Están desnudos; es decir, no están envueltos en un capsi como virus. Algunas moléculas similares a los viroides ingresan a la célula como pasajeros dentro de un virus vegetal convencional. Estos se llaman virusoides o ARN satélite similares a los viroides.

En ambos casos, las moléculas consisten en ARN monocatenario cuyos extremos están unidos covalentemente para formar un círculo. Hay varias regiones donde el emparejamiento de bases ocurre a través de porciones adyacentes de la molécula. Los nuevos viroides y virusoides son sintetizados por la célula hospedadora como precursores largos en los que la estructura viroidea se repite en tándema. Estas repeticiones deben cortarse y ligarse para formar el producto final. La mayoría de los virusoides y al menos un viroide son autoempalmantes; es decir, pueden cortarse del precursor y ligar sus extremos sin la ayuda de ninguna enzima huésped. Por lo tanto, representan otra clase de ribozima.

Tanto los viroides como los virusoides son responsables de una serie de enfermedades graves de plantas económicamente importantes, por ejemplo, la palma de coco y los crisantemos. (El problema es tan grave con los crisantemos que todos los productores en Estados Unidos ahora aseguran sus existencias de unas pocas compañías que crían las plantas en habitaciones “limpias” usando estrictas precauciones para prevenir la infección por el viroide).