Biologia 35 – RNA – Citoplasmatici – mRNA, tRNA, rRNA 1
Biologia 35 – RNA – mRNA, tRNA, rRNA
L’RNA (Ribo Nucleic Acid= acido ribo-nucleico) è una molecola complessa molto simile a quella del DNA. Si diversifica da essa per 3 elementi:
Il filamento è unico (e non doppio);
Lo zucchero è il ribosio (e non il desossiribosio)
Le basi azotate sono sempre 4 ma manca la timina e, al suo posto, c’è l’uracile.
L’RNA, a differenza del DNA, può essere di diversi tipi. Le varie forme di RNA possono essere suddivise:
In base all’attività, si parla di RNA non-codificanti (cioè che non sintetizzano proteine o altro) e RNA codificanti (che invece sintetizzano proteine o altro)
In base alla funzione, gli RNA si dividono in RNA che svolgono un ruolo di regolazione genica (che, intervenendo a vari livelli, possono modificare l’espressione genica, cioè
il risultato finale dell’informazione originariamente contenuta nel DNA) e RNA che svolgono un ruolo di traduzione genica (cioè, che traducono l’informazione del DNA in proteine).
In base alla localizzazione, si parla di RNA citoplasmatici e RNA nucleari.
RNA citoplasmatici
RNA-messaggero (mRNA) Generalità
L'mRNA si occupa di trasportare le informazioni codificate (scritte) nel DNA al citoplasma.
Si presenta sotto forma di filamento unico sul quale sono presenti triplette di nucleotidi (dette codoni). La sequenza base del filamento di mRNA è complementare a quella del filamento del DNA dal quale è stato copiato (complementare… non identica!).
Maturazione
Appena trascritto, l’mRNA contiene sia sequenze che verranno poi tradotte (esoni), sia sequenze che non verranno tradotte (introni) e che spesso svolgono un ruolo regolatore della trascrizione stessa. Per questo motivo, la molecola neotrascritta (appena trascritta) di RNA viene detta pre- mRNA.
Successivamente, il pre-mRNA viene sottoposto ad un processo di maturazione che richiede 5 passaggi:
1. Capping (incappucciamento): consiste nell'aggiunta di un
"cappuccio" proteico all'estremità 5’ del filamento del pre-mRNA. Questa modifica è importante per:
Proteggere l’mRNA dalla degradazione da parte delle eso-ribonucleasi (che agiscono partendo dall’estremità 5’);
Per favorire il riconoscimento da parte del ribosoma e il successivo aggancio;
Per facilitarne il trasporto al citoplasma (controllo da parte del nuclear basket).
Biologia 35 – RNA – Citoplasmatici – mRNA, tRNA, rRNA 2 2. Poliadenilazione: consiste nell'aggiunta di una sequenza poliadenilica, composta da circa 200 nucleotidi
di adenina (poli-A), all'estremità 3' del pre-mRNA. Le funzioni della poliadenilazione sono:
Proteggere la molecola di pre-mRNA dalla degradazione (da parte dell’esonucleasi 3’-5’);
Favorire il riconoscimento da parte di un fattore di trascrizione nel processo di traduzione.
Facilitarne il trasporto al citoplasma (riconoscimento da parte del nuclear basket)
Determinare l’emivita degli mRNA.
3. Splicing (giuntatura): consiste nella eliminazione degli introni (porzioni di RNA che non servono per la sintesi proteica) e successiva unione degli esoni (le porzioni dell’RNA che contengono le informazioni per la sintesi degli aminoacidi costituenti le proteine).
Il fenomeno dello splicing è complesso e può essere di vario tipo.
Lo splicing normale vede coinvolto un complesso, detto spliceosoma, grande quanto un ribosoma e composto da snRNA e proteine. Ciascuno degli snRNA si lega a diverse proteine formando gli snRNP (ribonucleoproteine nucleari).
Gli snRNP, a loro volta, si legano al pre-mRNA in 3 punti: sulla zona di confine introne-esone prossimale (sito di splicing 5’), sull’altra zona di confine esone-introne distale (sito di splicing 3’) e sul sito branch (intermedio tra i due). Successivamente, lo spliceosoma produce un’ansa nell’introne ed effettua il taglio di questo (che si ripiega a cappio) … quindi salda assieme i due esoni.
Lo splicing alternativo è un processo mediante il quale un gene può produrre mRNA diversi in posti diversi ed in tempi diversi (… a seconda del tipo di cellula o dello stadio di sviluppo dell’organismo in cui ritrovano ad essere espressi).
In questo modo si riesce a produrre proteine diverse dello stesso gene.
Nell’uomo è stato stimato che lo splicing alternativo interessi circa il 60- 80% dei geni e rappresenta una delle possibili spiegazioni del ridotto numero di geni negli organismi
superiori. Il meccanismo dello splicing alternativo è basato sulla possibilità che hanno alcuni introni ed esoni di essere inclusi o meno nel trascritto finale; per cui, le possibili variabili di un trascritto genico aumentano.
In alcuni casi, l’introne stesso è dotato della capacità di autoeliminarsi e lo splicing viene detto self- splicing. Questa forma di splicing, non prevedendo l’intervento di altre molecole di RNA (come gli snRNA) e/o proteine (come per es. lo spliceosoma), rappresenta una forma primitiva di splicing, dalla quale sono derivate (nel corso dell’evoluzione) tutte le altre.
Talvolta il processo di splicing può avvenire tra due molecole diverse di pre-mRNA. In questo caso il fenomeno viene detto trans-splicing. Esso è infrequente negli eucarioti superiori, mentre rappresenta un processo comune in quelli di livello (filogenetico) inferiore.
4. Editing (revisione): consiste nella delezione, inserzione o cambiamento di singole basi. Esistono due meccanismi che mediano l'editing:
Editing per deamminazione, che comporta la trasformazione dell'adenina in inosina (più raramente, in guanina) e della citosina in uracile.
Editing per inserzione o delezione, che comporta l’aggiunta od eliminazione di basi all'interno della sequenza.
In entrambi i casi, l'editing può portare cambiamenti tali che la proteina risultante può essere molto diversa, nella composizione in amminoacidi, da quella prevista dal codice genetico.
Biologia 35 – RNA – Citoplasmatici – mRNA, tRNA, rRNA 3 5. Controllo. Una volta “maturati” gli mRNA vengono trasportati
dal nucleo nel citosol. La molecola di mRNA per uscire, e quindi avere il lasciapassare per il citosol, deve legarsi ad un apposito gruppo di proteine del poro nucleare, ciascuna delle quali verifica che l’mRNA ha subito una maturazione perfetta.
Tra queste proteine, alcune legano e controllano la poli(A), altre si fissano sul cappuccio, e altre ancora verificano la perfetta ricucitura del punto di splicing. Gli RNA “di scarto”
(cioè quelli frammentati o riusciti male durante le fasi di taglio e cucitura) e gli introni, invece, non hanno questo
“lasciapassare” e quindi rimangono nel nucleo dove vengono degradati e distrutti.
Emivita degli mRNA
Una volta nel citosol, gli mRNA vengono letti e tradotti dai ribosomi. Il tempo di permanenza di una molecole di mRNA maturo nel citosol determina la quantità di proteina che ne deriva. Questa quantità deriva dal numero di volte che una molecola di mRNA viene “tradotta” e quindi dalla sua “emivita”. La degradazione degli mRNA dipende da ribonucleasi cellulari che degradano l’mRNA in nucleotidi.
Transfer RNA (tRNA)
Struttura
È la molecola che permette di associare ad ogni codon dell’mRNA il corrispondente aminoacido. Il tRNA ha una struttura chimica che ricorda il trifoglio (in un piano), con 4 tratti a doppia elica, 3 tratti lineari formanti un loop (+ eventuale loop accessorio tra sito di attacco dell’enzima e sito di attacco all’mRNA) ed un tratto terminale contenente l’estremità 5’-3’.
La sua forma tridimensionale, invece, ricorda una L rovesciata, dove sono ben visibili ed accessibili 4 zone strategiche della molecola:
1. sito di attacco dell’aminoacido (non specifico)
2. sito di riconoscimento dell’mRNA (che è specifico ed ha una struttura complementare al codone riportato sull’mRNA),
3. sito di riconoscimento dell’enzima che attiva l’aminoacido (anche questo è specifico),
4. sito di riconoscimento del ribosoma.
I tRNA sono più di 20 (45-51 negli eucarioti), per cui ad ogni aminoacido corrisponde più di un tRNA. Invece, gli enzimi che
legano l’aminoacido al rispettivo tRNA (chiamati aminoacil-tRNA-sintetasi) sono 20, esattamente come il numero degli aminoacidi. Ciascun enzima trasferisce un determinato tipo di aminoacido al rispettivo tRNA.
Legame tra tRNA e aminoacido
È un processo che avviene secondo una specifica sequenza di eventi. In particolare:
1. Un aminoacil-tRNA-sintetasi si lega ad un ATP.
2. L’enzima si attiva e, in maniera specifica, si lega all’aminoacido.
3. Il gruppo enzima + aminoacido + ATP si lega al braccio destro del tRNA (dove c’è il sito di attacco per l’enzima).
4. Grazie all’energia fornita dall’ATP, l’aminoacido si stacca dall’enzima e si va a legare sull’estremità 3’ del tRNA (sito di attacco dell’aminoacido).
5. L’aminoacil tRNA sintetasi effettua quindi una verifica dell’aminoacido legato (mediante un suo componente, detto proof-reading). Dopo la verifica, se l’aminoacido è corretto, il complesso tRNA- aminoacido si stacca e si rende disponibile per la sintesi proteica.
Biologia 35 – RNA – Citoplasmatici – mRNA, tRNA, rRNA 4 Ribosomal RNA (rRNA)
Struttura
Le molecole di rRNA servono a formare degli organuli particolari, i ribosomi.
I ribosomi sono granuli formati da RNA-ribosomiale (rRNA) e proteine. Essi sono presenti nel citoplasma, sulla membrana nucleare e sul RER.
Il ribosoma (80S) è formato da 2 subunità (parti) diseguali, tenute assieme da magnesio: una subunità maggiore (60S) e una subunità minore (40S).
Entrambe le subunità sono formate sia da rRNA che da proteine, con diverse funzioni; in particolare nella subunità maggiore è presente l’rRNA 28S che ha un ruolo:
Strutturale, poiché si piega in conformazioni tridimensionali che formano l’impalcatura sulla quale si legano le proteine ribosomiali.
Enzimatico, perché lega assieme i vari aminoacidi (attività enzimatica peptidil-transferasica) durante la sintesi proteica.
Per questo motivo l’rRNA 28S è considerato un ribozima, cioè un enzima a RNA (o RNA catalitico), una molecola di RNA in grado di svolgere una reazione chimica1.
Legame con il tRNA, in quanto contiene i siti di attacco per l’RNA-traspostatore.
La subunità minore, invece, contiene l’rRNA 18S, che forma il sito di attacco per l’RNA-messaggero;
quest’ultimo viene accolto in una specie di canale determinato dal ripiegamento dell’rRNA 18S.
Anche l’rRNA 18S ha 3 funzioni:
Strutturale
Ruolo di riconoscimento del tRNA
Posizionamento corretto dell’mRNA.
Tasche ribosomiali
Nei ribosomi ci sono 3 tasche (dette siti) che accolgono i tRNA durante la sintesi delle proteine ed un tunnel:
Sito A (acceptor = accettore), dove si attaccano i tRNA con l’aminoacido attivato da inserire nella catena polipeptidica.
Sito P (peptidyl = peptidico), dove viene trattenuta la catena polipeptidica in fase di allungamento, ancora attaccata all’ultimo tRNA.
Sito E (exit=uscita), detto anche sito di uscita; è il sito in cui parcheggiano i tRNA che hanno fornito l’aminoacido alla catena prima di uscire dal ribosoma.
Tunnel, contenuto nella sub-unità maggiore; da esso fuoriesce la catena polipetidica nascente.
Ribosomi mitocondriali
Nelle cellule eucariotiche ci sono, oltre ai ribosomi citoplasmatici, anche quelli mitocondriali. Questi assomigliano molto, sia come struttura che come funzione, ai ribosomi procariotici (60S con subunità di 50S e 30S).
1 Sebbene la maggior parte dei ribozimi abbia una concentrazione cellulare irrilevante, il loro ruolo è essenziale per la vita. L'RNA può anche essere considerato una molecola che viene ereditata tra cellula madre e figlia (come avviene per il DNA). Ciò ha indotto Walter Gilbert a proporre che nel passato le cellule primordiali si servissero di RNA sia come materiale genetico che come molecola strutturale e catalitica: solo successivamente questi ruoli vennero affidati a DNA e proteine. Questa ipotesi è nota come ipotesi del mondo a RNA. Queste considerazioni implicano che i ribozimi presenti oggi nelle cellule, così come i ribosomi stessi, siano da considerare fossili viventi di una vita ancestrale basata esclusivamente sugli acidi nucleici.
Biologia 35 – RNA – Citoplasmatici – mRNA, tRNA, rRNA 5 Sintesi dei ribosomi
I ribosomi si formano dentro al nucleo. Specificatamente, l’rRNA (RNA-ribosomiale) viene sintetizzato nel nucleolo, mentre la componente proteica è sintetizzata nel citoplasma e successivamente trasportata nel nucleo, dove viene unita agli rRNA. I ribosomi così formati, abbandonano quindi il nucleo (attraverso i pori della membrana nucleare) e migrano nel citoplasma.
