RNA

sigla dell'acido ribonucleico (Ribonucleic Acid). Come il DNA, anche l'RNA è una molecola polinucleotidica, in quanto è formata dall'unione di numerosissime unità semplici, i nucleotidi. Ogni nucleotide è a sua volta formato da una base azotata, da un pentoso e da un radicale fosforico. Mentre nel DNA il pentoso è il desossiribosio, nell'RNA è il ribosio. Le basi azotate sono uguali a quelle del DNA, fatta eccezione per la timina, che nell'RNA è sostituita dall'uracile. Mentre il DNA è una molecola di grandi dimensioni e notevolmente stabile, gli RNA sono più piccoli, hanno vita limitata e inoltre sono caratterizzati da una struttura primaria a singolo filamento: il fatto che basi azotate fra loro complementari (A e U; C e G) possano ritrovarsi periodicamente in sequenza lungo lo scheletro della molecola e appaiarsi ne rende possibile il ripiegamento e la conseguente formazione di zone a struttura secondaria elicoidale; piccole molecole di RNA sono quindi in grado di acquisire una struttura tridimensionale regolare, spesso responsabile della loro funzione specifica, mentre RNA più grandi presentano zone a struttura tridimensionale definita congiunte fra loro da parti non strutturate. La forma funzionale di un RNA spesso non è della stessa lunghezza del trascritto primario inattivo o incompleto: il passaggio dalla forma primaria inattiva a quella finale funzionale avviene ad opera di enzimi specifici che rimuovono alcune zone della molecola o apportano modifiche chimiche. I principali tipi di RNA sono l'RNA messaggero (mRNA), sul quale il DNA trascrive i codoni di una proteina, l'RNA di trasporto (tRNA), che viene utilizzato per il trasporto degli amminoacidi da assemblare in proteine e l'RNA ribosomale (rRNA) che forma con proteine specifiche i ribosomi, organelli sui quali avviene la sintesi proteica. Questi tre tipi di RNA sono elementi chiave per la decodificazione del messaggio genetico e la formazione delle proteine.

RNA messaggero (mRNA)

L'mRNArappresenta la classe di RNA più eterogenea; infatti è costituita da filamenti contenenti tanti codoni quanti sono gli amminoacidi delle proteine da loro codificate (vedi trascrizione e traduzione). RNA messaggeri codificanti per piccole proteine sono costituiti da alcune centinaia di nucleotidi, quelli codificanti per proteine grandi ne comprendono varie migliaia. Ogni mRNA è caratterizzato dal codone d'inizio AUG, specifico per l'amminoacido metionina: tutte le catene proteiche sia delle cellule procariote che di quelle eucariote cominciano con questo amminoacido. I tre codoni UAA, UGA e UAG rappresentano invece il segnale di terminazione della sintesi della catena polipeptidica. La precisione nell'andamento lineare dei ribonucleotidi in gruppi di tre, non solo determina il corretto allineamento degli amminoacidi in una proteina, ma anche un esatto punto di inizio e di conclusione della sua sintesi. Nei procarioti un singolo mRNA può contenere l'informazione per più di una proteina. Negli eucarioti la trascrizione genera dei precursori nucleari degli mRNA (trascritti primari) caratterizzati dalla presenza di modificazioni chimiche all'estremità 5' (si definisce estremità 5' l'inizio della molecola, mentre l'estremità finale è denominata estremità 3') e dalla presenza di zone non codificanti (introni). Tali precursori vengono in seguito convertiti negli mRNA maturi attraverso un processo (splicing) che prevede la rimozione degli introni e il ricongiungimento delle parti codificanti (esoni); lo splicing avviene grazie a un apparato enzimatico complesso in grado di riconoscere sequenze specifiche presenti nelle zone di giunzione esone-introne, di rimuovere gli introni e di ricongiungere correttamente tra loro i vari esoni. I complessi RNA-proteine che si formano durante questo processo sono detti spliceosomi. È stato stimato che circa un centinaio di proteine siano coinvolte nello splicing, rendendo tale processo comparabile per complessità e importanza a quello che avviene all'inizio della trascrizione o nella sintesi proteica. A volte la rimozione degli introni e il ricongiungimento degli esoni può avvenire secondo piani alternativi, consentendo così la formazione di varianti proteiche a partire da uno stesso gene; questo meccanismo, detto splicing alternativo, è responsabile, per esempio, della grande variabilità all'interno delle varie classi di anticorpi. La maturazione all'estremità 3' del trascritto primario implica un taglio attuato da una endonucleasi e la successiva aggiunta di una serie di adenine (poliadenilazione) dovuta all'enzima poly-A polimerasi. L'mRNA maturo diventa così funzionale e, rimanendo associato a proteine, può venire trasportato attraverso i pori nucleari dal nucleo al citoplasma. Qui si dissocia dalle proteine nucleari e si lega a proteine citoplasmatiche: alcune sono in grado di riconoscere la zona di poliadenilazione, mentre altre sono responsabili della successiva localizzazione degli mRNA nei vari distretti citoplasmatici. La quantità di mRNA all'interno di una cellula è una funzione sia della sua velocità di sintesi sia della velocità con cui viene degradato; nei procarioti generalmente queste molecole hanno vita breve e vengono degradate in pochi minuti; negli eucarioti, invece, gli mRNA sono più stabili: vivono da qualche decina di ore a vari giorni. Tuttavia alcune proteine, quali per esempio, le linfochine, possono essere necessarie solo in un determinato momento e per poco tempo, e di conseguenza anche i loro mRNA hanno vita molto breve.

RNA di trasporto (tRNA)

Il tRNA trasferisce ai ribosomi i vari amminoacidi che, uniti tra loro con legame peptidico, formano le proteine. Molti trascritti primari che originano dai geni per i tRNA sono discretamente più lunghi rispetto alle piccole molecole mature che si riversano nel citoplasma e che contengono molte basi modificate, anche queste ultime assenti nella molecola iniziale. Sono stati clonati e sequenziati molti geni codificanti per i tRNA, e il confronto fra tali sequenze e quelle dei tRNA ha messo in evidenza, anche in questo caso, la presenza di introni. Tali introni, la cui lunghezza varia tra i 14 e i 60 ribonucleotidi, sono più corti rispetto a quelli presenti nei precursori degli mRNA, e non contengono sequenze specifiche per la determinazione dei siti di splicing, sebbene tali zone occupino sempre la stessa posizione relativa all'interno della molecola precursore. Tali introni vengono rimossi e gli esoni riassemblati attraverso un processo enzimatico diverso da quello responsabile della maturazione degli mRNA e che prevede l'intervento di un enzima ad attività endonucleasica e di una RNA-ligasi ATP-dipendente. I precursori dei tRNA contengono inoltre all'estremità 5' una sequenza di lunghezza variabile, assente nel tRNA maturo. Tali nucleotidi vengono rimossi dall'enzima RNasi P. Recentemente è stata messa in evidenza una particolare classe di introni, presenti nei precursori di tRNA di cloroplasti e mitocondri di piante e funghi, che sono in grado di autoescludersi dalla molecola senza la partecipazione di altri enzimi (introni self-splicing): questi RNA possono svolgere funzione di catalizzatori nelle reazioni chimiche che prevedono la rottura di legami covalenti. È stato dimostrato che, mentre i precursori risiedono solo nel nucleo, i tRNA maturi sono presenti solo nel citoplasma: come tutte le macromolecole trasportate dal nucleo al citoplasma, anche i tRNA maturi vengono trasportati attraverso i pori nucleari, probabilmente associati a proteine specifiche che ne facilitano il passaggio. Una volta giunti nel citoplasma, i tRNA maturi si presentano come molecole piccole, costituite da 75-80 nucleotidi che si appaiano tra loro in zone specifiche, interrotte da tratti a singolo filamento. Tale situazione determina una particolare conformazione a “trifoglio”, caratteristica per tutti i tRNA. Nella cellula, tuttavia, questa molecola ha una complessa organizzazione a forma di L rovesciata e contorta a spirale, poiché le due anse laterali del trifoglio si avvicinano tra loro formando l'angolo fra i bracci della L. L'estremità 3' del filamento polinucleotidico di tutti i tRNA sopravanza quella 5' di tre nucleotidi uguali (C-C-A): tale sequenza rappresenta il sito accettore dell'amminoacido che, una volta attivato dall'enzima amminoacilsintetasi, si posiziona sul tRNA. Sotto al sito accettore c'è un breve tratto a elica, quindi le due anse che interagiscono tra loro nella struttura tridimensionale: una è detta ansa T ed è la parte della molecola che riconosce i siti A e P del ribosoma; l'altra è detta ansa D e costituisce la parte del tRNA riconosciuta dalle varie amminoacilsintetasi quando queste attivano i rispettivi amminoacidi. In base alla forma dell'ansa D e del braccio a doppia elica a essa collegato, si distinguono circa venti tRNA, ciascuno specifico per un determinato amminoacido. La parte più caratteristica della molecola del tRNA è l'ansa terminale; è detta anticodone poiché porta tre basi complementari ai codoni degli mRNA. In base all'analisi di tali sequenze si distinguono circa sessanta diversi tRNA; solo pochi di essi non trasportano amminoacidi in quanto i loro anticodoni corrispondono alle triplette d'inizio o di terminazione della sintesi proteica.

RNA dei ribosomi (rRNA)

Gli rRNA costituiscono una famiglia di molecole che, assemblate insieme a più di 50 diverse proteine, formano i ribosomi, costituiti da due subunità; le subunità proteiche e le molecole di rRNA a esse associate vengono definite in termini di Svedberg (S), una misura del coefficiente di sedimentazione di particelle in sospensione sottoposte a centrifugazione. La lunghezza delle molecole di rRNA, la qualità delle proteine costituenti ciascuna subunità e di conseguenza la grandezza di queste ultime varia tra procarioti ed eucarioti. Sebbene la sequenza di ciascun rRNA vari tra specie diverse, le zone corrispondenti di ciascun tipo di rRNA possono appaiarsi nelle medesime posizioni, rendendo tutte le molecole simili per struttura secondaria. Appare quindi evidente che le interazioni rRNA-proteine ribosomali siano conservate all'interno della scala evolutiva. In base ai loro coefficienti di sedimentazione, i ribosomi sono stati suddivisi in due classi: la prima, di 70 S, è formata da una subunità di 30 S e da una di 50 S; questi ribosomi sono tipici dei procarioti. La seconda classe è quella dei ribosomi 80 S, con subunità di 40 S e di 60 S; si ritrovano nel citoplasma delle cellule eucariotiche. Nei mitocondri e nei cloroplasti si ritrovano ribosomi che spesso somigliano a quelli dei procarioti. Nei ribosomi procariotici l'RNA corrisponde a circa il 70% del loro peso, mentre in quelli eucariotici ne rappresenta circa il 50%. Nei ribosomi 70 S ci sono tre molecole di RNA: una, a 16 S, nella subunità 30 S; due, rispettivamente di 23 S e di 5 S, nella subunità 50 S. Nei ribosomi 80 S ci sono quattro molecole di RNA: una, di 18 S, nella subunità minore; tre, rispettivamente di 28 S, 5,8 S e 5 S, nella subunità maggiore; si ritiene che l'rRNA a 5,8 S corrisponda a quello 5 S dei ribosomi procariotici: esso infatti viene sintetizzato da geni diversi da quelli che producono gli altri RNA ribosomali che rappresentano i prodotti di maturazione di una singola molecola precursore. La semplice interazione fra proteine ribosomali e rRNA è sufficiente per la costituzione delle subunità ribosomali (self-assembling), e si ritiene che la capacità di costituirsi spontaneamente sia alla base del processo di formazione del ribosoma. Negli eucarioti i geni che codificano per gli rRNA sono localizzati nel nucleolo, che si evidenzia come un corpicciolo sferico situato nel nucleo. Tale conformazione è dovuta all'intensa attività trascrizionale che si attua al livello di questi geni, e dal quasi contemporaneo assemblaggio degli RNA alle proteine ribosomali o alle proteine deputate alla maturazione dei precursori degli RNA. La trascrizione è caratterizzata dal fatto che più molecole di RNA-polimerasi I, l'enzima deputato alla formazione di questi RNA, possono operare in serie successiva sul medesimo gene per aumentarne la quantità di prodotto. I precursori nascenti vengono immediatamente processati negli rRNA 18 S, 5,8 S e 28 S, mentre l'rRNA 5 S viene codificato da un gene distinto che non si trova nel nucleolo Tutte le specie sono provviste di oltre 100 copie di geni codificanti per il precursore degli rRNA e per l'rRNA 5 S. Il processo di maturazione del precursore unico per tre rRNA avviene grazie all'azione di altri piccoli RNA ad attività catalitica, che agiscono in concerto con proteine specifiche nel riconoscimento di sequenze segnale per la determinazione del sito di splicing; la maturazione degli RNA ribosomali prevede anche modificazioni chimiche, quali l'aggiunta di gruppi metilici in basi specifiche. In alcuni organismi unicellulari, nei mitocondri e nei cloroplasti è stato possibile evidenziare la capacità dei precursori degli rRNA di rimuovere autonomamente le parti non necessarie, senza la partecipazione di enzimi specifici (self-splicing). Appare evidente che in questo caso l'RNA si comporta come un vero e proprio enzima (ribozima), cioè come sequenza di RNA con attività catalitica. L'rRNA 5 S invece, una volta trascritto migra verso il nucleolo, dove si assembla con gli altri rRNA e con le proteine ribosomali costituendo così i ribosomi; tali organelli passano quindi nel citoplasma. Gli RNA catalitici sono stati isolati in vari sistemi e rappresentano una classe di molecole biologiche molto importanti (“mondo a RNA”) che possono aver avuto un ruolo fondamentale nell'origine della vita sul pianeta (vedi nucleico, acido e origine della vita).