Che cos'è l'acido ribonucleico?

L'acido ribonucleico, o RNA, è uno dei due tipi di acidi nucleici presenti nella vita sulla Terra. L'altro, l'acido desossiribonucleico (DNA), ha da tempo assunto un profilo più alto dell'RNA nella cultura popolare, nelle menti degli osservatori occasionali e altrove. L'RNA, tuttavia, è l'acido nucleico più versatile; prende le istruzioni che riceve dal DNA e le trasforma in una varietà di attività coordinate coinvolte nella sintesi proteica. Visto in questo modo, il DNA potrebbe essere visto come il presidente o il cancelliere il cui input determina in definitiva ciò che accade a livello di eventi quotidiani, considerando che l'RNA è l'esercito di soldati leali a piedi e di operai in servizio che svolgono il lavoro effettivo e mostrano un'ampia gamma di abilità impressionanti nel processi.

L'RNA, come il DNA, è una macromolecola (in altre parole, una molecola con un numero relativamente elevato di singoli atomi, a differenza, ad esempio, di CO₂ o H₂O) costituito da un polimero, o catena di elementi chimici ripetuti. I "collegamenti" di questa catena, o più formalmente i monomeri che compongono il polimero, sono chiamati nucleotidi. Un singolo nucleotide è costituito a sua volta da tre regioni chimiche distinte, o porzioni: uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata. Le basi azotate possono essere una delle quattro diverse basi: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e uracile (U).

L'adenina e la guanina sono classificate chimicamente come purine, mentre la citosina e l'uracile appartengono alla categoria delle sostanze chiamate pirimidine. Le purine sono costituite principalmente da un anello di cinque membri unito ad un anello di sei membri, mentre le pirimidine sono considerevolmente più piccole e hanno solo un anello di sei atomi di carbonio. L'adenina e la guanina hanno una struttura molto simile tra loro, così come la citosina e l'uracile.

Lo zucchero pentoso nell'RNA è ribosio, che include un anello con cinque atomi di carbonio e un atomo di ossigeno. Il gruppo fosfato è legato a un atomo di carbonio nell'anello su un lato dell'atomo di ossigeno e la base azotata è legata all'atomo di carbonio sull'altro lato dell'ossigeno. Il gruppo fosfato si lega anche al ribosio sul nucleotide adiacente, quindi la porzione ribosio e fosfato di un nucleotide insieme costituiscono la "spina dorsale" dell'RNA.

Le basi azotate possono essere considerate la parte più critica dell'RNA, perché sono queste, a gruppi di tre in nucleotidi contigui, ad avere la massima importanza funzionale. Gruppi di tre basi adiacenti formano unità chiamate codici tripletta, o codoni, che trasportano segnali speciali al macchinario che unisce le proteine ​​utilizzando le informazioni collegate prima al DNA e poi all'RNA. Senza che questo codice venga interpretato così com'è, l'ordine dei nucleotidi sarebbe irrilevante, come verrà descritto tra breve.

Quando le persone con un piccolo background in biologia sentono il termine "DNA", è probabile che una delle prime cose che viene in mente sia la "doppia elica". Il distintivo La struttura della molecola del DNA è stata chiarita da Watson, Crick, Franklin e altri nel 1953, e tra le scoperte del team c'era che il DNA è a doppio filamento, ed elicoidale, nella sua forma usuale. L'RNA, al contrario, è praticamente sempre a singolo filamento.

Inoltre, come implicano i nomi di queste rispettive macromolecole, il DNA contiene uno zucchero ribosio diverso. Invece del ribosio, contiene desossiribosio, un composto identico al ribosio tranne per avere un atomo di idrogeno al posto di uno dei suoi gruppi ossidrile (-OH).

Infine, mentre le pirimidine nell'RNA sono citosina e uracile, nel DNA sono citosina e timina. Nei "gradini" della "scala" del DNA a doppio filamento, l'adenina si lega con e solo con la timina, mentre la citosina si lega con e solo con la guanina. (Riesci a pensare a una ragione architettonica per cui le basi puriniche si legano solo alle basi pirimidiniche attraverso il centro del DNA? Suggerimento: i "lati" della scala devono rimanere a una distanza fissa l'uno dall'altro.) Quando il DNA viene trascritto e un viene creato un filamento complementare di RNA, il nucleotide generato attraverso l'adenina nel DNA è l'uracile, non timina. Questa distinzione aiuta la natura a evitare di confondere DNA e RNA negli ambienti cellulari in cui cose potrebbero derivare dal comportamento indesiderato se gli enzimi che operano sui rispettivi molecole.

Mentre solo il DNA è a doppio filamento, l'RNA è molto più abile nel formare elaborate strutture tridimensionali. Ciò ha consentito lo sviluppo di tre forme essenziali di RNA nelle cellule.

L'RNA è disponibile in tre tipi fondamentali, sebbene esistano anche varietà aggiuntive molto oscure.

RNA messaggero (mRNA): Le molecole di mRNA contengono la sequenza codificante per le proteine. Le molecole di mRNA variano notevolmente in lunghezza, con gli eucarioti (essenzialmente, la maggior parte degli esseri viventi che non sono batteri) incluso il più grande RNA mai scoperto. Molte trascrizioni superano le 100.000 basi (100 kilobasi o kb) di lunghezza.

RNA di trasferimento (tRNA): Il tRNA è una molecola corta (circa 75 basi) che trasporta gli amminoacidi e li sposta alla proteina in crescita durante la traduzione. Si ritiene che i tRNA abbiano una disposizione tridimensionale comune che all'analisi a raggi X assomiglia a un quadrifoglio. Ciò è determinato dal legame di basi complementari quando un filamento di tRNA si ripiega su se stesso, proprio come il nastro che si attacca a se stesso quando accidentalmente si uniscono i lati di una striscia di esso.

RNA ribosomiale (rRNA): Le molecole di rRNA comprendono dal 65 al 70 percento della massa dell'organello chiamato ribosoma, la struttura che ospita direttamente la traduzione, o sintesi proteica. I ribosomi sono molto grandi per gli standard cellulari. I ribosomi batterici hanno pesi molecolari di circa 2,5 milioni, mentre i ribosomi eucariotici hanno pesi molecolari circa una volta e mezzo quello. (Per riferimento, il peso molecolare del carbonio è 12; nessun singolo elemento supera 300.)

Un ribosoma eucariotico, chiamato 40S, contiene un rRNA e circa 35 proteine ​​diverse. Il ribosoma 60S contiene tre rRNA e circa 50 proteine. I ribosomi sono quindi un miscuglio di acidi nucleici (rRNA) e prodotti proteici che altri acidi nucleici (mRNA) portano il codice per creare.

Fino a poco tempo fa, i biologi molecolari presumevano che l'rRNA svolgesse un ruolo prevalentemente strutturale. Informazioni più recenti, tuttavia, indicano che l'rRNA nei ribosomi agisce come un enzima, mentre le proteine ​​che lo circondano fungono da impalcatura.

La trascrizione è il processo di sintesi dell'RNA da un modello di DNA. Poiché il DNA è a doppio filamento e l'RNA è a filamento singolo, i filamenti di DNA devono essere separati prima che possa avvenire la trascrizione.

A questo punto è utile un po' di terminologia. Un gene, di cui tutti hanno sentito parlare ma che pochi esperti non biologici possono definire formalmente, è solo un tratto di DNA che contiene sia un stampo per la sintesi dell'RNA e sequenze di nucleotidi che consentono di regolare e controllare la produzione di RNA dal modello regione. Quando i meccanismi per la sintesi proteica sono stati descritti per la prima volta con precisione, gli scienziati hanno ipotizzato che ogni gene corrispondesse a un singolo prodotto proteico. Per quanto conveniente sarebbe (e per quanto sensato in superficie), l'idea si è dimostrata errata. Alcuni geni non codificano affatto per le proteine, e in alcuni animali, "splicing alternativo" in cui il stesso gene può essere attivato per produrre proteine ​​diverse in condizioni diverse, sembra essere Comune.

La trascrizione dell'RNA produce un prodotto che è complementare al modello di DNA. Ciò significa che è una sorta di immagine speculare e si accoppierebbe naturalmente a qualsiasi sequenza identica al modello grazie alle regole di abbinamento base-base specifiche annotate in precedenza. Ad esempio, la sequenza di DNA TACTGGT è complementare alla sequenza di RNA AUGACCA, poiché ogni base nella prima sequenza può essere accoppiato alla base corrispondente nella seconda sequenza (notare che U appare in RNA dove T apparirebbe in DNA).

L'inizio della trascrizione è un processo complesso ma ordinato. I passaggi includono:

1. Le proteine ​​del fattore di trascrizione si legano ad un promotore "a monte" della sequenza da trascrivere.
2. RNA polimerasi (l'enzima che assembla il nuovo RNA) si lega al complesso promotore-proteina del DNA, che è un po' come l'interruttore di accensione di un'auto.
3. Il complesso RNA polimerasi/proteina promotrice di nuova formazione separa i due filamenti di DNA complementari.
4. L'RNA polimerasi inizia a sintetizzare l'RNA, un nucleotide alla volta.

A differenza della DNA polimerasi, l'RNA polimerasi non ha bisogno di essere "innescata" da un secondo enzima. La trascrizione richiede solo il legame della RNA polimerasi all'area del promotore.

I geni nel DNA codificano per molecole proteiche. Questi sono i "fanti" della cellula, che svolgono i compiti necessari per sostenere la vita. Potresti pensare alla carne o ai muscoli o a un frullato salutare quando pensi a una proteina, ma la maggior parte delle proteine ​​vola sotto il radar della tua vita quotidiana. Gli enzimi sono proteine: molecole che aiutano a scomporre i nutrienti, costruire nuovi componenti cellulari, assemblare acidi nucleici (ad esempio DNA polimerasi) e fare copie di DNA durante la divisione cellulare.

"Espressione genica" significa produrre la proteina corrispondente al gene, se presente, e questo complicato processo ha due fasi principali. La prima è la trascrizione, dettagliata in precedenza. Nella traduzione, le molecole di mRNA appena prodotte escono dal nucleo e migrano nel citoplasma, dove si trovano i ribosomi. (Negli organismi procarioti, i ribosomi possono attaccarsi all'mRNA mentre la trascrizione è ancora in corso.)

I ribosomi sono costituiti da due porzioni distinte: la subunità grande e la subunità piccola. Ogni subunità è solitamente separata nel citoplasma, ma si uniscono su una molecola di mRNA. Le subunità contengono un po' di quasi tutto ciò che è già stato menzionato: proteine, rRNA e tRNA. Le molecole di tRNA sono molecole adattatrici: un'estremità può leggere il codice della tripletta nell'mRNA (ad esempio, UAG o CGC) tramite l'accoppiamento di basi complementari e l'altra estremità si attacca a uno specifico amminoacido. Ogni codice tripletta è responsabile di uno dei circa 20 amminoacidi che compongono tutte le proteine; alcuni amminoacidi sono codificati da più triplette (il che non sorprende, dal momento che sono possibili 64 triplette - quattro basi elevate alla terza potenza perché ogni tripletta ha tre basi – e solo 20 amminoacidi lo sono necessario). Nel ribosoma, i complessi mRNA e amminoacil-tRNA (pezzi di tRNA che trasportano un amminoacido) sono tenuti molto vicini tra loro, facilitando l'appaiamento delle basi. L'rRNA catalizza l'adesione di ogni amminoacido aggiuntivo alla catena in crescita, che diventa un polipeptide e infine una proteina.

Come risultato della sua capacità di organizzarsi in forme complesse, l'RNA può agire debolmente come un enzima. Poiché l'RNA può sia immagazzinare informazioni genetiche che catalizzare reazioni, alcuni scienziati hanno suggerito un ruolo importante per l'RNA nella origine della vita, chiamata "il mondo a RNA". Questa ipotesi sostiene che, molto indietro nella storia della Terra, le molecole di RNA hanno svolto tutte le funzioni stessi ruoli di proteine ​​e molecole di acido nucleico svolgono oggi, che sarebbe impossibile ora, ma potrebbe essere stato possibile in a mondo prebiotico. Se l'RNA ha agito sia come struttura di immagazzinamento delle informazioni sia come fonte dell'attività catalitica necessaria per le reazioni metaboliche di base, potrebbe avere ha preceduto il DNA nelle sue forme più antiche (anche se ora è fatto da DNA) e servito da piattaforma per il lancio di "organismi" che sono veramente autoreplicante.