RNA

Generalità

L'RNA, o acido ribonucleico, è l'acido nucleico coinvolto nei processi di codifica, decodifica, regolazione ed espressione dei geni. I geni sono segmenti  più o meno lunghi di DNA, che contengono le informazioni fondamentali alla sintesi delle proteine.

Rna

Figura: Basi azotate in una molecola di RNA. Da wikipedia.org

In termini molto semplici, l'RNA deriva dal DNA e rappresenta la molecola di passaggio tra quest'ultimo e le proteine. Qualche ricercatore lo definisce il “dizionario per la traduzione del linguaggio del DNA nel linguaggio delle proteine”.
Le molecole di RNA derivano dall'unione, in catene, di un numero variabile di ribonucleotidi. Alla formazione di ogni singolo ribonucleotide partecipano un gruppo fosfato, una base azotata e uno zucchero a 5 atomi di carbonio, chiamato ribosio.

Cos'è l'RNA?

L'RNA, o acido ribonucleico, è una macromolecola biologica, appartenente alla categoria degli acidi nucleici, che ricopre un ruolo centrale nella generazione delle proteine a partire dal DNA.
La generazione delle proteine (anche loro delle macromolecole biologiche) comprende una serie di processi cellulari che, nel loro insieme, prendono il nome di sintesi proteica.
DNA, RNA e proteine sono fondamentali nel garantire la sopravvivenza, lo sviluppo e il corretto funzionamento delle cellule degli organismi viventi.


Cos'è il DNA?
Il DNA, o acido desossiribonucleico, è l'altro acido nucleico esistente in natura, insieme all'RNA.
Strutturalmente simile all'acido ribonucleico, l'acido desossiribonucleico è il patrimonio genetico, ossia il “magazzino dei geni”, contenuto nelle cellule degli organismi viventi. È dal DNA che dipende la formazione dell'RNA e, indirettamente, quella delle proteine.

STORIA DELL'RNA

DesossiribosioRibosio

Figura: il ribosio e il desossiribosio

Le ricerche sull'RNA cominciarono dopo il 1868, anno in cui Friedrich Miescher scoperse gli acidi nucleici.
Le prime importati scoperte a riguardo sono datate tra la seconda parte degli anni '50 del Novecento e la prima parte degli anni '60. Tra gli scienziati che hanno partecipato a queste scoperte, meritano una citazione particolare: Severo Ochoa, Alex Rich, David Davies e Robert Holley.
Nel 1977, un gruppo di ricercatori, capitanati da Philip Sharp e Richard Roberts, decifrò il processo di splicing degli introni.
Nel 1980, Thomas Cech e Sidney Altman identificarono i ribozimi.

*Nota bene: per conoscere cosa sono lo splicing degli introni e i ribozimi, si vedano i capitoli dedicati alla sintesi dell'RNA e alle funzioni.

Struttura

Sotto il profilo chimico-biologico, l'RNA è un biopolimero. I biopolimeri sono grandi molecole naturali, frutto dell'unione, in catene o filamenti, di tante unità molecolari più piccole, chiamate monomeri.
I monomeri che costituiscono l'RNA sono i nucleotidi.

L'RNA È , DI SOLITO, UNA CATENA SINGOLA

Le molecole di RNA sono molecole costituite, solitamente, da singole catene di nucleotidi (filamenti polinucleotidici).
La lunghezza degli RNA cellulari varia da meno di un centinaio ad anche diverse migliaia di nucleotidi.
Il numero dei nucleotidi costituenti è in funzione del ruolo ricoperto dalla molecola in questione.


Confronto con il DNA
Diversamente dall'RNA, il DNA è un biopolimero formato, generalmente, da due filamenti di nucleotidi.
Uniti tra di loro, questi due filamenti polinucleotidici hanno orientamento opposto e, avvolgendosi l'uno nell'altro, vanno a comporre una doppia spirale nota come “doppia elica”.
Una generica molecola di DNA umano può contiene circa 3,3 miliardi di nucleotidi per filamento.

STRUTTURA GENERICA DI UN NUCLEOTIDE

Per definizione, i nucleotidi sono le unità molecolari che costituiscono gli acidi nucleici RNA e DNA.
Dal punto di vista strutturale, un generico nucleotide risulta dall'unione di tre elementi, che sono:

  • Un gruppo fosfato, che è un derivato dell'acido fosforico;
  • Un pentoso, cioè uno zucchero a 5 atomi di carbonio;
  • Una base azotata, che è una molecola eterociclica aromatica.

Il pentoso rappresenta l'elemento centrale dei nucleotidi, in quanto a lui si legano il gruppo fosfato e la base azotata.

Nucleotide

Figura: Elementi che costituiscono un generico nucleotide di un acido nucleico. Come si può notare, allo zucchero si legano il gruppo fosfato e la base azotata.

Il legame chimico che tiene uniti il pentoso e il gruppo fosfato è un legame fosfodiesterico, mentre il legame chimico che unisce il pentoso e la base azotata è un legame N-glicosidico.

QUAL È IL PENTOSO DELL'RNA?

Premessa: i chimici hanno pensato di numerare i carboni che costituiscono le molecole organiche, in maniera tale da semplificarne lo studio e la descrizione. Ecco, quindi, che i 5 carboni di un pentoso diventano: carbonio 1, carbonio 2, carbonio 3, carbonio 4 e carbonio 5. Il criterio di assegnazione dei numeri è alquanto complesso, di conseguenza riteniamo opportuno tralasciarne la spiegazione.
Lo zucchero a 5 atomi di carbonio, che contraddistingue la struttura dei nucleotidi dell'RNA, è il ribosio.
Dei 5 atomi di carbonio del ribosio, meritano una citazione particolare:

  • Il carbonio 1, perché è quello che si lega alla base azotata, attraverso un legame N-glicosidico.
  • Il carbonio 2, perché è quello che discrimina il pentoso dei nucleotidi dell'RNA dal pentoso dei nucleotidi del DNA. Connesso al carbonio 2 dell'RNA ci sono un atomo di ossigeno e un atomo di idrogeno, che, assieme, formano un gruppo ossidrilico OH.
  • Il carbonio 3, perché è quello che partecipe al legame tra due nucleotidi consecutivi.
  • Il carbonio 5, perché è quello che si unisce al gruppo fosfato, mediante un legame fosfodiesterico.

Per la presenza dello zucchero ribosio, i nucleotidi dell'RNA prendono il nome specifico di ribonucleotidi.


Confronto con il DNA
Il pentoso che costituisce i nucleotidi del DNA è il desossiribosio.
Il desossiribosio differisce dal ribosio per la mancanza di atomi di ossigeno sul carbonio 2.
Quindi, manca del gruppo ossidrilico OH che caratterizza lo zucchero a 5 atomi di carbonio dell'RNA.
Per la presenza dello zucchero desossiribosio, i nucleotidi del DNA sono conosciuti anche come desossiribonucleotidi.

TIPI DI NUCLEOTIDI E BASI AZOTATE

L'RNA presenta 4 tipi diversi di nucleotidi.
A distinguere questi 4 diversi tipi di nucleotidi è unicamente la base azotata.
Per ovvie ragioni, quindi, le basi azotate dell'RNA sono 4, nello specifico: l'adenina (abbreviata in A), la guanina (G), la citosina (C) e l'uracile (U).
L'adenina e la guanina appartengono alla classe delle purine, composti eterociclici aromatici a doppio anello.
La citosina e l'uracile, invece, rientrano nella categoria delle pirimidine, composti eterociclici aromatici ad anello singolo.


Confronto con il DNA
Le basi azotate che distinguono i nucleotidi del DNA sono le stesse dell'RNA, eccezion fatta per l'uracile. Al posto di quest'ultimo c'è una base azotata chiamata timina (T), che appartiene alla categoria delle pirimidine.

LEGAME TRA I NUCLEOTIDI

Ciascun nucleotide formante un qualsiasi filamento di RNA si lega al nucleotide successivo, per mezzo di un legame fosfodiesterico tra il carbonio 3 del suo pentoso e il gruppo fosfato del nucleotide immediatamente successivo.

LE ESTREMITÀ DI UNA MOLECOLA DI RNA

Un qualsiasi filamento polinucleotidico di RNA presenta due estremità, conosciutecome estremità 5' (si legge “estremità cinque primo”) ed estremità 3' (si legge “estremità tre primo”).
Per convenzione, biologi e genetisti hanno stabilito che l'estremità 5' rappresenta il capo di un filamento di RNA, mentre l'estremità 3' ne rappresenta la coda.
Dal punto di vista chimico, l'estremità 5' coincide con il gruppo fosfato del primo nucleotide della catena polinucleotidica, mentre l'estremità 3' coincide con il gruppo ossidrilico posto sul carbonio 3 dell'ultimo nucleotide della medesima catena.
È in base a questa organizzazione che, nei libri di genetica e biologica molecolare, i filamenti polinucleotidici di un qualsiasi acido nucleico sono così descritti: P-5'→3'-OH (*Nota Bene: la lettera P indica l'atomo di fosforo del gruppo fosfato).


Applicando i concetti di estremità 5' ed estremità 3' a un singolo nucleotide, l'estremità 5' di quest'ultimo è il gruppo fosfato legato al carbonio 5, mentre la sua estremità 3' è il gruppo ossidrilico unito al carbonio 3.
In entrambi i casi, s'invita il lettore a porre attenzione alla ricorrenza numerica: estremità 5' – gruppo fosfato sul carbonio 5 ed estremità 3' – gruppo ossidrilico sul carbonio 3.

Localizzazione

Nelle cellule nucleate (cioè con nucleo) di un essere vivente, molecole di RNA posso ritrovarsi sia nel nucleo sia nel citoplasma.
Quest'ampia localizzazione dipende dal fatto che alcuni dei processi cellulari, aventi per protagonista l'RNA, hanno sede nel nucleo, mentre altri hanno luogo nel citoplasma.


Confronto con il DNA
Il DNA degli organismi eucarioti (quindi anche il DNA umano) ha sede unicamente all'interno del nucleo cellulare.

Tabella riassuntiva delle differenze esistenti tra RNA e DNA:
  • L'RNA è una molecola biologica di dimensioni inferiori rispetto al DNA, formata solitamente da unico filamento di nucleotidi.
  • Il pentoso che costituisce i nucleotidi dell'acido ribonucleico è il ribosio.
  • I nucleotidi dell'acido nucleico RNA sono noti anche con il nome di ribonucleotidi.
  • L'acido nucleico RNA condivide con il DNA soltanto 3 basi azotate su 4. Al posto della timina, infatti, presenta la base azotata uracile.
  • L'RNA può risiedere in vari compartimenti della cellula, dal nucleo al citoplasma.

Sintesi

Il processo di sintesi dell'RNA ha per protagonista un enzima intracellulare (cioè situato dentro la cellula), chiamato RNA polimerasi (N.B: un enzima  è una proteina).
L'RNA polimerasi di una cellula usa il DNA, presente all'interno del nucleo della medesima cellula, come fosse uno stampo, per creare l'RNA.
In altre parole, è una sorte di copiatrice che trascrive ciò che riporta il DNA in un linguaggio diverso, che è quello dell'RNA.
Del resto, questo processo di sintesi dell'RNA, a opera dell'RNA polimerasi, prende il nome scientifico di trascrizione.
Gli organismi eucarioti, come l'uomo, possiedono 3 diverse classi di RNA polimerasi: l'RNA polimerasi I, l'RNA polimerasi II e l'RNA polimerasi III.
Ogni classe di RNA polimerasi crea tipi particolari di RNA, i quali, come il lettore potrà appurare nei prossimi capitoli, hanno ruoli biologici diversi nel contesto della vita cellulare.

COME AGISCE L'RNA POLIMERASI

Un'RNA polimerasi è in grado di:

  • Riconoscere, sul DNA, il sito da cui cominciare la trascrizione,
  • Legarsi al DNA,
  • Separare i due filamenti polinucleotidici del DNA (che sono tenuti insieme da legami idrogeno tra basi azotate), in maniera da agire su un filamento soltanto, e
  • Iniziare la sintesi del trascritto di RNA.

Ciascuna di queste tappe ha luogo ogniqualvolta un'RNA polimerasi si appresta a effettuare il processo di trascrizione. Quindi, sono tutti passaggi obbligati.
L'RNA polimerasi sintetizza le molecole di RNA in direzione 5'→3'. Mano a mano che aggiunge ribonucleotidi alla molecola di RNA nascente, si sposta sul filamento di DNA stampo in direzione 3'→5'.

MODIFICAZIONI DEL TRASCRITTO DI RNA

Dopo la sua trascrizione, l'RNA subisce alcune modificazioni, tra cui: l'aggiunta di alcune sequenze di nucleotidi alle due estremità, la perdita dei cosiddetti introni (processo noto come splicing) ecc.
Pertanto, rispetto al segmento di DNA originale, l'RNA derivante presenta alcune differenze relativamente alla lunghezza della catena polinucleotidica (in genere è più corto).

Tipi

Esistono svariati tipi di RNA.
I più noti e studiati sono: l'RNA di trasporto (o RNA transfer o tRNA), l'RNA messaggero (o RNA messenger o mRNA), l'RNA ribosomiale (o ribosomal RNA o rRNA) e il piccolo RNA nucleare (o small nuclear RNA o snRNA).
Sebbene ricoprano ruoli specifici diversi, tRNA, mRNA, rRNA e snRNA concorrono tutti alla realizzazione di un obiettivo comune: la sintesi delle proteine, a partire dalle sequenze di nucleotidi presenti nel DNA.


RNA polimerasi e tipi di RNA
RNA polimerasi I
rRNA
RNA polimerasi II mRNA e snRNA
RNA polimerasi III tRNA, un tipo particolare di rRNA e gli miRNA

ALTRI TIPI ANCORA DI RNA

Nelle cellule degli organismi eucarioti, i ricercatori hanno ritrovato altri tipi di RNA, oltre ai 4 sopraccitati. Per esempio:

  • I micro RNA (o miRNA), che sono filamenti di lunghezza di poco superiore ai 20 nucleotidi, e
  • L'RNA che costituisce i ribozimi. I ribozimi sono molecole di RNA con attività catalitica, come gli enzimi.

Anche gli miRNA e i ribozimi partecipano al processo di sintesi proteica, esattamente come il tRNA, l'mRNA ecc.

Funzione

L'RNA rappresenta la macromolecola biologica di passaggio tra il DNA e le proteine, ossia lunghi biopolimeri le cui unità molecolari sono gli aminoacidi.
L'RNA è equiparabile a un dizionario dell'informazione genetica, in quanto permette di tradurre i segmenti nucleotidici di DNA (che sono poi i cosiddetti geni) negli aminoacidi delle proteine.
Una delle più frequenti descrizioni del ruolo funzionale, ricoperto dall'RNA, è: “l'RNA è l'acido nucleico implicato nella codifica, decodifica, regolazione ed espressioni dei geni”.
L'RNA è uno dei tre elementi cardine del cosiddetto dogma centrale della biologia molecolare, che afferma:”Dal DNA deriva l'RNA, dal quale, a sua volta, derivano le proteine” (DNARNA proteine).

TRASCRIZIONE E TRADUZIONE

Brevemente, la trascrizione è la serie di reazioni cellulari che portano alla formazione di molecole di RNA, a partire dal DNA.
La traduzione, invece, è l'insieme di processi cellulari che terminano con la produzione di proteine, a partire dalle molecole di RNA prodotte in occasione del processo di trascrizione.
Biologi e genetisti hanno coniato il termine di “traduzione”, perché dal linguaggio dei nucleotidi si passa al linguaggio degli aminoacidi.

TIPI E FUNZIONI

I processi di trascrizione e traduzione vedono per protagonisti tutti i tipi di RNA sopraccitati (tRNA, mRNA ecc):

  • Un mRNA è una molecola di RNA codificante una proteina. In altre parole, gli mRNA sono le proteine prima del processo di traduzione dei nucleotidi negli aminoacidi delle proteine.
    Gli mRNA subiscono diverse modificazioni, dopo la loro trascrizione.
  • I tRNA sono molecole di RNA non codificante, ma comunque essenziali alla formazione delle proteine. Svolgono, infatti, un ruolo chiave nel decifrare ciò che riportano le molecole di mRNA.
    Il nome “RNA di trasporto” deriva dal fatto che questi RNA portano su di sé un aminoacido. A voler essere più precisi, a ogni aminoacido corrisponde uno specifico tRNA.
    I tRNA interagiscono con l'mRNA, attraverso tre particolari nucleotidi della loro sequenza.
  • Gli rRNA sono le molecole di RNA che formano i ribosomi. I ribosomi sono strutture cellulari complesse, che, muovendosi lungo l'mRNA, mettono insieme gli aminoacidi di una proteina.
    Un generico ribosoma contiene, al suo interno, alcuni siti, in cui è in grado di alloggiare i tRNA e farli incontrare con l'mRNA. È qui che i tre particolari nucleotidi sopraccitati interagiscono con l'RNA messaggero.
  • Gli snRNA sono molecole di RNA che partecipano al processo di splicing degli introni presenti sull'mRNA. Gli introni sono brevi segmenti di mRNA non codificanti, inutili ai fini della sintesi proteica.
  • I ribozimi sono molecole di RNA che catalizzano il taglio dei filamenti di ribonucleotidi, dove necessario.
Traduzione mRNA

Figura: traduzione dell'mRNA.



Ultima modifica dell'articolo: 17/06/2016