RNA
Sebbene trasporti l'informazione per gli aminoacidi, i costituenti fondamentali delle proteine, il DNA non è direttamente lo stampo per la sintesi proteica.
In tutte le cellule dotate di nucleo (eucarioti), la sintesi proteica è localizzata nel citoplasma, mentre i cromosomi (DNA) sono nel nucleo. La molecola in grado di condurre le informazioni prese dal DNA dal nucleo al citoplasma, e fungere da stampo per la sintesi delle proteine, è l'RNA, o acido ribonucleico, largamente presente nel citoplasma.
Chimicamente l'RNA è molto simile al DNA: anch'esso è una catena polinucleotidica contenente quattro nucleotidi diversi. Una delle differenze è rappresentata dallo zucchero, che è il ribosio in luogo del desossiribosio.
La seconda differenza è costituita da una delle basi, che è l'uracile (U) al posto della timina. In questo caso è l'uracile a legarsi all'adenina, mentre la guanina si lega sempre alla citosina. La maggior parte dell'RNA, inoltre, esiste come catena singola e non doppia.
Le molecole di RNA vengono sintetizzate attraverso un processo, conosciuto come trascrizione del DNA, dove un filamento di DNA viene ricopiato nel corrispondente filamento di RNA.
La trascrizione presenta alcune similitudini con la già descritta duplicazione del DNA. Una delle due catene del DNA funge da stampo, mentre i ribonucleotidi, legati per azione dell'enzima RNA-polimerasi, si allineano appaiando le proprie basi a quelle esposte del DNA. La reazione può essere divisa in tre fasi.
Nella fase di inizio l'RNA-polimerasi si lega alla doppia catena del DNA. Man mano che l'enzima vi si attacca, il DNA si despiralizza localmente in modo da esporre una delle due catene alla copiatura. Il tratto di DNA in cui ha luogo l'inizio è chiamato promotore, e lo stadio di inizio ha termine quando il primo nucleotide della catena di RNA è stato incorporato nella catena del DNA. Il sito in cui il primo nucleotide viene incorporato è detto sito di inizio, e fa parte del promotore: normalmente si tratta di una singola base, una purina.
Nella seconda fase, di allungamento, altri nucleotidi vengono aggiunti al primo, e si forma un tratto di catena ibrida DNA-RNA in corrispondenza del DNA despiralizzato. L'enzima RNA-polimerasi si muove lungo il DNA, despiralizzando via via nuovi segmenti di DNA, mentre la doppia catena di DNA si riforma lasciando libero il filamento di RNA neoformato.
Il termine, cioè terzo e ultimo stadio della trascrizione, riguarda il riconoscimento del punto di fine della sintesi di RNA. Quando l'ultima base è stata aggiunta alla catena di RNA, l'ibrido DNA-RNA si slega, la doppia catena di DNA si riavvolge e sia l'enzima sia l'RNA si staccano. La sequenza di DNA nella quale hanno sede queste reazioni si chiama terminatore.
Il prodotto della trascrizione è denominato trascritto primario e consiste probabilmente in un filamento di RNA che si estende dal promotore al terminatore. Non si ha dimostrazione di ciò perché esso è molto instabile e quindi difficile da isolare.
Nei procarioti il trascritto primario viene rapidamente degradato per produrre l'mRNA maturo, o tagliato per dare i prodotti maturi di rRNA o tRNA. Negli eucarioti vengono modificate le sequenze terminali nell'mRNA e tagliate per dare i prodotti maturi (tutti gli RNA). Nelle cellule eucariote ci sono tre diverse RNA-polimerasi, che occupano diversi siti. Ciascuno di questi enzimi è responsabile della trascrizione di una differente classe di geni. L'RNA-polimerasi I, che risiede nel nucleolo, è responsabile della trascrizione dei geni per la produzione di tutto l'RNA ribosomiale (o rRNA). Questo è l'enzima con la più elevata attività di sintesi. Segue l'RNA-polimerasi II, localizzata nel nucleoplasma (la parte di nucleo che esclude il nucleolo), responsabile della sintesi del precursore dell'RNA messaggero (mRNA). L'enzima con l'attività minore è l'RNA-polimerasi III, anch'essa presente nel nucleoplasma, che sintetizza l'RNA di trasporto (tRNA). Negli eucarioti, inoltre, la regione promotore che lega l'RNA-polimerasi in alcuni casi non funziona necessariamente da sola, ma la sua attività è enormemente aumentata dalla presenza di un'altra sequenza chiamata amplificatore (enhancer in inglese). Un amplificatore si distingue dal promotore per due caratteristiche: non possiede una posizione fissa in relazione al promotore e può inoltre stimolare qualsiasi promotore nelle sue vicinanze. Per l'RNA-polimerasi II, che, come si è detto, si occupa della trascrizione dell'RNA messaggero, all'interno del promotore è stata identificata una sequenza di quattro basi, comune a tutti gli eucarioti: la TATA-box (dove box sta per contenitore, T è la timina e A l'adenina). La TATA-box è indispensabile per la trascrizione, non deve subire modificazioni perché l'RNA-polimerasi possa mantenere la posizione corretta. Basta lo scambio di una base per ridurre drasticamente la trascrizione. La TATA-box è tipica dei promotori degli eucarioti, ma anche nei procarioti è presente una sequenza molto simile con le stesse proprietà, la TATAAT.
La fase cruciale della produzione delle diverse forme di RNA è la maturazione a partire dai precursori. I complessi trascritti primari degli rRNA e tRNA di procarioti ed eucarioti vengono modificati in forme mature più semplici. Gli mRNA dei procarioti non subiscono quasi mai modificazioni, mentre l'assemblaggio dell'mRNA degli eucarioti è piuttosto complesso. Il primo prodotto dell'RNA-polimerasi II, chiamato RNA eterogeneo nucleare, viene convertito in mRNA funzionale attraverso una serie di modificazioni che portano alla maturazione dell'RNA. In genere l'ultimo passaggio di questo processo è il taglio di una o più sequenze, dette introni, che non vengono tradotte, e la giunzione dei pezzi rimanenti, gli esoni, le uniche sequenze che appaiono nell'mRNA maturo pronto per essere tradotto. Una volta maturati, gli mRNA, come le subunità ribosomiche e i tRNA, passano nel citoplasma per svolgere la loro funzione nella sintesi proteica.
La trascrizione del DNA differisce dalla duplicazione per diversi aspetti. Per prima cosa l'RNA prodotto nel processo di trascrizione non rimane attaccato al DNA: la copia dell'RNA viene rilasciata appena completata e l'elica originale del DNA si riforma; in questo modo l'RNA rimane a catena singola. Inoltre le molecole di RNA sono relativamente corte, se paragonate alla catena del DNA, poiché vengono copiati solo dei tratti di una regione limitata del DNA deputata alla formazione di una o di poche proteine. La quantità di RNA prodotta partendo da una determinata regione del DNA viene controllata: più in generale, il controllo dell'espressione di un gene è reso possibile da una serie di proteine dette regolatrici, di cui abbiamo già parlato.
