MRNA: definizione, funzione e struttura

L'RNA, o acido ribonucleico, è uno dei due acidi nucleici presenti in natura. L'altro, l'acido desossiribonucleico (DNA), è sicuramente più fisso nell'immaginario. Anche le persone con scarso interesse per la scienza hanno la sensazione che il DNA sia vitale nella trasmissione dei tratti da uno generazione alla successiva, e che il DNA di ogni essere umano è unico (e quindi è una cattiva idea lasciare un crimine scena). Ma per tutta la notorietà del DNA, l'RNA è una molecola più versatile, disponibile in tre forme principali: RNA messaggero (mRNA), RNA ribosomiale (rRNA) e RNA di trasferimento (tRNA).

Il lavoro dell'mRNA dipende molto dagli altri due tipi e l'mRNA si trova esattamente al centro del cosiddetto dogma centrale della biologia molecolare (il DNA genera l'RNA, che a sua volta genera le proteine).

DNA e RNA sono acidi nucleici, il che significa che sono macromolecole polimeriche, i cui costituenti monomerici sono chiamati nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da tre porzioni distinte: uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata, scelti tra quattro scelte. Uno zucchero pentoso è uno zucchero che include una struttura ad anello di cinque atomi.

Tre differenze principali distinguono il DNA dall'RNA. Innanzitutto, nell'RNA, la porzione zuccherina del nucleotide è il ribosio, mentre nel DNA è il desossiribosio, che è semplicemente ribosio con un gruppo ossidrile (-OH) rimosso da uno dei carboni nell'anello a cinque atomi e sostituito da un atomo di idrogeno (-H). Quindi la porzione zuccherina del DNA è solo un atomo di ossigeno meno massiccio dell'RNA, ma l'RNA è una molecola chimicamente molto più reattiva del DNA a causa del suo gruppo -OH in più. In secondo luogo, il DNA è, piuttosto famoso, a doppio filamento e avvolto in una forma elicoidale nella sua forma più stabile. L'RNA, d'altra parte, è a singolo filamento. E terzo, mentre il DNA e l'RNA presentano entrambi le basi azotate adenina (A), citosina (C) e guanina (G), la quarta di tali basi nel DNA è la timina (T) mentre nell'RNA è l'uracile (U).

Poiché il DNA è a doppio filamento, gli scienziati sanno dalla metà del 1900 che queste basi azotate si accoppiano con e solo con un altro tipo di base; A si accoppia con T e C si accoppia con G. Inoltre, A e G sono classificate chimicamente come purine, mentre C e T sono chiamate pirimidine. Poiché le purine sono sostanzialmente più grandi delle pirimidine, un accoppiamento A-G sarebbe eccessivamente ingombrante, mentre un accoppiamento C-T sarebbe insolitamente sottodimensionato; entrambe queste situazioni sarebbero distruttive per i due filamenti nel DNA a doppio filamento essendo alla stessa distanza in tutti i punti lungo i due filamenti.

A causa di questo schema di accoppiamento, i due filamenti di DNA sono chiamati "complementari" e la sequenza di uno può essere prevista se si conosce l'altro. Ad esempio, se una stringa di dieci nucleotidi in un filamento di DNA ha la sequenza di basi AAGCGTATTG, il filamento di DNA complementare avrà la sequenza di basi TTCGCATAAC. Poiché l'RNA è sintetizzato da un modello di DNA, ciò ha implicazioni anche per la trascrizione.

L'mRNA è la forma di acido ribonucleico più "simile al DNA" perché il suo compito è in gran parte lo stesso: trasmettere le informazioni codificato nei geni, sotto forma di basi azotate accuratamente ordinate, al macchinario cellulare che assembla proteine. Ma esistono anche vari tipi vitali di RNA.

La struttura tridimensionale del DNA è stata chiarita nel 1953, facendo guadagnare a James Watson e Francis Crick un premio Nobel. Ma per anni dopo, la struttura dell'RNA è rimasta sfuggente nonostante gli sforzi di alcuni degli stessi esperti di DNA per descriverla. Negli anni '60 divenne chiaro che sebbene l'RNA sia a singolo filamento, la sua struttura secondaria, ovvero la relazione della sequenza di nucleotidi l'uno con l'altro mentre l'RNA si snoda attraverso lo spazio - implica che lunghezze di RNA possono ripiegarsi su se stesse, con basi nello stesso filo che si collegano così l'una all'altra allo stesso modo un pezzo di nastro adesivo potrebbe attaccarsi a se stesso se glielo permetti nodo. Questa è la base per la struttura a croce del tRNA, che include tre curve di 180 gradi che creano l'equivalente molecolare dei cul-de-sac nella molecola.

rRNA è in qualche modo diverso. Tutto l'rRNA deriva da un mostro di un filamento di rRNA lungo circa 13.000 nucleotidi. Dopo una serie di modifiche chimiche, questo filamento viene scisso in due subunità disuguali, una chiamata 18S e l'altra etichettata 28S. ("S" sta per "unità di Svedberg", una misura usata dai biologi per stimare indirettamente la massa delle macromolecole.) La porzione 18S è incorporata a ciò che è chiamata subunità ribosomiale piccola (che una volta completata è in realtà 30S) e la parte 28S contribuisce alla subunità grande (che in totale ha una dimensione di 50S); tutti i ribosomi contengono una di ciascuna subunità insieme a un numero di proteine ​​(non acidi nucleici, che rendono possibili le proteine ​​stesse) per fornire ai ribosomi l'integrità strutturale.

I filamenti di DNA e RNA hanno entrambi le estremità 3' e 5' ("tre primi" e "cinque primi") in base alle posizioni delle molecole attaccate alla porzione di zucchero del filamento. In ogni nucleotide, il gruppo fosfato è attaccato all'atomo di carbonio etichettato 5' nel suo anello, mentre il carbonio 3' presenta un gruppo ossidrile (-OH). Quando un nucleotide viene aggiunto a una catena di acido nucleico in crescita, ciò avviene sempre all'estremità 3' della catena esistente. Cioè, il gruppo fosfato all'estremità 5' del nuovo nucleotide è unito al carbonio 3' con il gruppo ossidrile prima che si verifichi questo legame. L' -OH è sostituito dal nucleotide, che perde un protone (H) dal suo gruppo fosfato; quindi una molecola di H₂O, o acqua, viene persa nell'ambiente in questo processo, rendendo la sintesi dell'RNA un esempio di sintesi per disidratazione.

La trascrizione è il processo in cui l'mRNA viene sintetizzato da un modello di DNA. In linea di principio, dato quello che ora sai, puoi facilmente immaginare come ciò accada. Il DNA è a doppio filamento, quindi ogni filamento può fungere da stampo per l'RNA a filamento singolo; questi due nuovi filamenti di RNA, a causa dei capricci di specifici appaiamenti di basi, saranno complementari l'uno all'altro, non che si legheranno insieme. La trascrizione dell'RNA è molto simile alla replicazione del DNA in quanto si applicano le stesse regole di accoppiamento delle basi, con U che prende il posto di T nell'RNA. Si noti che questa sostituzione è un fenomeno unidirezionale: T nel DNA codifica ancora per A nell'RNA, ma A nel DNA codifica per U nell'RNA.

Perché avvenga la trascrizione, la doppia elica del DNA deve srotolarsi, cosa che avviene sotto la direzione di enzimi specifici. (In seguito riprende la sua corretta conformazione elicoidale.) Dopo che ciò accade, una sequenza specifica, giustamente chiamata sequenza del promotore, segnala dove la trascrizione deve iniziare lungo la molecola. Questo richiama sulla scena molecolare un enzima chiamato RNA polimerasi, che ormai fa parte di un complesso promotore. Tutto ciò si verifica come una sorta di meccanismo biochimico di sicurezza per impedire che la sintesi dell'RNA inizi nel punto sbagliato del DNA e quindi produca un filamento di RNA che contiene un codice illegittimo. L'RNA polimerasi "legge" il filamento di DNA a partire dalla sequenza del promotore e si muove lungo il filamento di DNA, aggiungendo nucleotidi all'estremità 3' dell'RNA. Siate consapevoli che i filamenti di RNA e DNA, in virtù dell'essere complementari, sono anche antiparalleli. Ciò significa che quando l'RNA cresce nella direzione 3', si muove lungo il filamento di DNA all'estremità 5' del DNA. Questo è un punto minore ma spesso confuso per gli studenti, quindi potresti voler consultare un diagramma per assicurarti di aver compreso i meccanismi della sintesi dell'mRNA.

I legami che si creano tra i gruppi fosfato di un nucleotide e il gruppo zuccherino del successivo sono chiamati legami fosfodiestere (pronunciato "phos-pho-die-es-ter", non "phos-pho-dee-ster" in quanto potrebbe essere allettante assumere).

L'enzima RNA polimerasi si presenta in molte forme, sebbene i batteri includano solo un singolo tipo. È un grande enzima, costituito da quattro subunità proteiche: alfa (α), beta (β), beta-primo (β′ ) e sigma (σ). Combinati, questi hanno un peso molecolare di circa 420.000 Dalton. (Per riferimento, un singolo atomo di carbonio ha un peso molecolare di 12; una singola molecola d'acqua, 18; e un'intera molecola di glucosio, 180.) L'enzima, chiamato oloenzima quando tutte e quattro le subunità sono presente, è responsabile del riconoscimento delle sequenze del promotore sul DNA e del distacco dei due DNA fili. L'RNA polimerasi si muove lungo il gene da trascrivere mentre aggiunge nucleotidi al segmento di RNA in crescita, un processo chiamato allungamento. Questo processo, come tanti all'interno delle cellule, richiede l'adenosina trifosfato (ATP) come fonte di energia. L'ATP non è altro che un nucleotide contenente adenina che ha tre fosfati invece di uno.

La trascrizione cessa quando la RNA polimerasi in movimento incontra una sequenza di terminazione nel DNA. Proprio come la sequenza del promotore può essere vista come l'equivalente di una luce verde su un semaforo, la sequenza di terminazione è l'analogo di una luce rossa o segnale di stop.

Quando una molecola di mRNA che trasporta l'informazione per una particolare proteina, cioè un frammento di mRNA corrispondente a un gene, è completa, deve ancora essere processato prima che sia pronto per fare il suo lavoro di consegnare un progetto chimico ai ribosomi, dove avviene la sintesi proteica posto. Negli organismi eucarioti, migra anche fuori dal nucleo (i procarioti non hanno un nucleo).

In modo critico, le basi azotate trasportano informazioni genetiche in gruppi di tre, chiamati codoni tripletti. Ogni codone porta istruzioni per aggiungere un particolare amminoacido a una proteina in crescita. Proprio come i nucleotidi sono le unità monomeriche degli acidi nucleici, gli amminoacidi sono i monomeri delle proteine. Poiché l'RNA contiene quattro diversi nucleotidi (a causa delle quattro diverse basi disponibili) e un codone è costituito da tre nucleotidi consecutivi, sono disponibili 64 codoni di triplette totali (4³ = 64). Cioè, a partire da AAA, AAC, AAG, AAU e lavorando fino a UUU, ci sono 64 combinazioni. Gli esseri umani, tuttavia, utilizzano solo 20 amminoacidi. Di conseguenza, si dice che il codice della tripletta sia ridondante: nella maggior parte dei casi, più triplette codificano per lo stesso amminoacido. L'inverso non è vero, ovvero la stessa tripletta non può codificare per più di un amminoacido. Probabilmente puoi immaginare il caos biochimico che ne deriverebbe altrimenti. Infatti, gli amminoacidi leucina, arginina e serina hanno ciascuno sei triplette corrispondenti ad essi. Tre diversi codoni sono codoni di STOP, simili alle sequenze di terminazione della trascrizione nel DNA.

La traduzione stessa è un processo altamente cooperativo, che riunisce tutti i membri della famiglia estesa dell'RNA. Poiché si verifica sui ribosomi, implica ovviamente l'uso di rRNA. Le molecole di tRNA, descritte in precedenza come minuscole croci, sono responsabili del trasporto di singoli amminoacidi a il sito di traduzione sul ribosoma, con ogni amminoacido trasportato dalla propria marca specifica di tRNA scorta. Come la trascrizione, la traduzione ha fasi di iniziazione, allungamento e terminazione, e al termine della sintesi di una molecola proteica, il la proteina viene rilasciata dal ribosoma e impacchettata nei corpi del Golgi per essere utilizzata altrove, e il ribosoma stesso si dissocia nel suo componente subunità.