ARN: FUNZIONI, STRUTTURA E TIPOLOGIE - BIOLOGIA - 2025

L' RNA o RNA (acido ribonucleico) è un tipo di acido nucleico presente negli eucarioti, procarioti e virus. È un polimero nucleotidico che contiene quattro tipi di basi azotate nella sua struttura: adenina, guanina, citosina e uracile.

L'RNA si trova generalmente come una singola banda (tranne in alcuni virus), in modo lineare o in una serie di strutture complesse. Infatti, l'RNA ha un dinamismo strutturale che non si osserva nella doppia elica del DNA. I diversi tipi di RNA hanno funzioni molto varie.

Gli RNA ribosomiali fanno parte dei ribosomi, le strutture responsabili della sintesi delle proteine ​​nelle cellule. Gli RNA messaggeri funzionano come intermediari e trasportano informazioni genetiche al ribosoma, che traduce il messaggio da una sequenza nucleotidica a una sequenza di amminoacidi.

Gli RNA di trasferimento sono responsabili dell'attivazione e del trasferimento dei diversi tipi di amminoacidi -20 in totale ai ribosomi. Esiste una molecola di RNA di trasferimento per ogni amminoacido che riconosce la sequenza nell'RNA messaggero.

Inoltre, esistono altri tipi di RNA che non sono direttamente coinvolti nella sintesi proteica e partecipano alla regolazione genica.

Struttura

Le unità fondamentali dell'RNA sono i nucleotidi. Ciascun nucleotide è costituito da una base azotata (adenina, guanina, citosina e uracile), un pentoso e un gruppo fosfato.

Nucleotidi

Le basi azotate derivano da due composti fondamentali: pirimidine e purine.

Le basi derivate dalle purine sono l'adenina e la guanina e le basi derivate dalle pirimidine sono la citosina e l'uracile. Sebbene queste siano le basi più comuni, gli acidi nucleici possono anche avere altri tipi di basi meno comuni.

Per quanto riguarda il pentoso, sono unità di d-ribosio. Pertanto, i nucleotidi che compongono l'RNA sono chiamati "ribonucleotidi".

Catena di RNA

I nucleotidi sono collegati tra loro da legami chimici che coinvolgono il gruppo fosfato. Per formarli, il gruppo fosfato all'estremità 5 'di un nucleotide è attaccato al gruppo idrossile (-OH) all'estremità 3' del nucleotide successivo, creando così un legame simile al fosfodiestere.

Lungo la catena dell'acido nucleico, i legami fosfodiestere hanno lo stesso orientamento. Pertanto, c'è una polarità del filo, distinguendo tra l'estremità 3 ′ e 5 ′.

Per convenzione, la struttura degli acidi nucleici è rappresentata dall'estremità 5 'a sinistra e dall'estremità 3' a destra.

Il prodotto dell'RNA della trascrizione del DNA è una singola banda elastica che gira a destra, in una conformazione elicoidale per impilamento di basi. L'interazione tra le purine è molto maggiore dell'interazione tra due pirimidine, a causa delle loro dimensioni.

Nell'RNA non è possibile parlare di una struttura secondaria tradizionale e di riferimento, come la doppia elica del DNA. La struttura tridimensionale di ogni molecola di RNA è unica e complessa, paragonabile a quella delle proteine ​​(logicamente, non possiamo globalizzare la struttura delle proteine).

Forze che stabilizzano l'RNA

Esistono interazioni deboli che contribuiscono alla stabilizzazione dell'RNA, in particolare l'accatastamento delle basi, in cui gli anelli si trovano uno sopra l'altro. Questo fenomeno contribuisce anche alla stabilità dell'elica del DNA.

Se la molecola di RNA trova una sequenza complementare, può accoppiarsi e formare una struttura a doppio filamento che gira a destra. La forma predominante è di tipo A; Per quanto riguarda le forme Z, sono state evidenziate solo in laboratorio, mentre la forma B non è stata osservata.

In generale, ci sono brevi sequenze (come UUGG) che si trovano all'estremità dell'RNA e hanno la particolarità di formare anelli stabili. Questa sequenza partecipa al ripiegamento della struttura tridimensionale dell'RNA.

Inoltre, i legami idrogeno possono formarsi in siti diversi dai tipici accoppiamenti di basi (AU e CG). Una di queste interazioni si verifica tra il 2'-OH del ribosio con altri gruppi.

Chiarire le varie strutture trovate nell'RNA è servito a dimostrare le molteplici funzioni di questo acido nucleico.

Tipi e funzioni dell'RNA

Esistono due classi di RNA: informativo e funzionale. Il primo gruppo include RNA che partecipano alla sintesi proteica e funzionano come intermediari nel processo; gli RNA informativi sono gli RNA messaggeri.

Al contrario, gli RNA appartenenti alla seconda classe, quelli funzionali, non danno luogo a una nuova molecola proteica e l'RNA stesso è il prodotto finale. Questi sono gli RNA di trasferimento e gli RNA ribosomiali.

Nelle cellule di mammifero, l'80% dell'RNA è RNA ribosomiale, il 15% è RNA di trasferimento e solo una piccola porzione corrisponde all'RNA messaggero. Questi tre tipi lavorano in modo cooperativo per ottenere la biosintesi delle proteine.

Ci sono anche piccoli RNA nucleari, piccoli RNA citoplasmatici e microRNA, tra gli altri. Ciascuno dei tipi più importanti verrà descritto in dettaglio di seguito:

Messenger RNA

Negli eucarioti, il DNA è confinato al nucleo, mentre la sintesi proteica avviene nel citoplasma della cellula, dove si trovano i ribosomi. A causa di questa separazione spaziale ci deve essere un mediatore che trasporta il messaggio dal nucleo al citoplasma e quella molecola è l'RNA messaggero.

Messenger RNA, abbreviato mRNA, è una molecola intermedia che contiene le informazioni codificate nel DNA e che specifica una sequenza di amminoacidi che darà origine a una proteina funzionale.

Il termine RNA messaggero fu proposto nel 1961 da François Jacob e Jacques Monod per descrivere la porzione di RNA che trasmetteva il messaggio dal DNA ai ribosomi.

Il processo di sintesi di un mRNA dal filamento di DNA è noto come trascrizione e avviene in modo differenziato tra procarioti ed eucarioti.

L'espressione genica è regolata da diversi fattori e dipende dalle esigenze di ciascuna cellula. La trascrizione è divisa in tre fasi: iniziazione, allungamento e conclusione.

Trascrizione

Il processo di replicazione del DNA, che si verifica in ogni divisione cellulare, copia l'intero cromosoma. Tuttavia, il processo di trascrizione è molto più selettivo, si occupa solo dell'elaborazione di segmenti specifici del filamento di DNA e non richiede un primer.

In Escherichia coli - il batterio meglio studiato nelle scienze della vita - la trascrizione inizia con lo svolgimento della doppia elica del DNA e si forma il ciclo di trascrizione. L'enzima RNA polimerasi è responsabile della sintesi dell'RNA e, man mano che la trascrizione continua, il filamento di DNA ritorna alla sua forma originale.

Iniziazione, allungamento e terminazione

La trascrizione non viene avviata in siti casuali sulla molecola di DNA; esistono siti specializzati per questo fenomeno, chiamati promotori. In E. coli la RNA polimerasi è accoppiata a poche coppie di basi sopra la regione bersaglio.

Le sequenze in cui i fattori di trascrizione sono accoppiati sono abbastanza conservate tra specie diverse. Una delle sequenze di promotori più note è la scatola TATA.

Nell'allungamento, l'enzima RNA polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi all'estremità 3'-OH, seguendo la direzione da 5 'a 3'. Il gruppo idrossile agisce come un nucleofilo, attaccando l'alfa fosfato del nucleotide da aggiungere. Questa reazione rilascia un pirofosfato.

Solo uno dei filamenti di DNA viene utilizzato per sintetizzare l'RNA messaggero, che viene copiato nella direzione da 3 ′ a 5 ′ (la forma antiparallela del nuovo filamento di RNA). Il nucleotide da aggiungere deve essere conforme all'accoppiamento delle basi: U si accoppia con A e G con C.

L'RNA polimerasi arresta il processo quando trova regioni ricche di citosina e guanina. Alla fine, la nuova molecola di RNA messaggero viene separata dal complesso.

Trascrizione in procarioti

Nei procarioti, una molecola di RNA messaggero può codificare più di una proteina.

Quando un mRNA codifica esclusivamente per una proteina o un polipeptide, viene chiamato mRNA monocistronico, ma se codifica per più di un prodotto proteico, l'mRNA è policistronico (si noti che in questo contesto il termine cistron si riferisce al gene).

Trascrizione in eucarioti

Negli organismi eucarioti, la stragrande maggioranza degli mRNA sono monocistronici e il meccanismo trascrizionale è molto più complesso in questa stirpe di organismi. Sono caratterizzati dall'avere tre RNA polimerasi, indicate con I, II e III, ciascuna con funzioni specifiche.

L'I è incaricato di sintetizzare i pre-rRNA, l'II sintetizza gli RNA messaggeri e alcuni RNA speciali. Infine, III si occupa di trasferire RNA, 5S ribosomiali e altri piccoli RNA.

RNA messaggero negli eucarioti

L'RNA messaggero subisce una serie di modifiche specifiche negli eucarioti. Il primo prevede l'aggiunta di un "tappo" all'estremità 5 ′. Chimicamente, il tappo è un residuo di 7-metilguanosina attaccato all'estremità da un legame 5 ', 5'-trifosfato.

Il ruolo di questa zona è proteggere l'RNA dalla possibile degradazione da parte delle ribonucleasi (enzimi che scompongono l'RNA in componenti più piccoli).

Inoltre, si verifica l'eliminazione dell'estremità 3 'e vengono aggiunti da 80 a 250 residui di adenina. Questa struttura è nota come "coda" di poliA e funge da sito di legame per varie proteine. Quando un procariota acquisisce una coda polyA tende a stimolarne la degradazione.

D'altra parte, questo messaggero è trascritto con introni. Gli introni sono sequenze di DNA che non fanno parte del gene ma che "interrompono" quella sequenza. Gli introni non vengono tradotti e quindi devono essere rimossi dal messenger.

La maggior parte dei geni dei vertebrati ha introni, ad eccezione dei geni che codificano per gli istoni. Allo stesso modo, il numero di introni in un gene può variare da pochi a dozzine di questi.

splicing

Il processo di plicing o splicing dell'RNA comporta la rimozione degli introni nell'RNA messaggero.

Alcuni introni presenti nei geni nucleari o mitocondriali possono eseguire il processo di splicing senza l'aiuto di enzimi o ATP. Invece, il processo viene eseguito da reazioni di transesterificazione. Questo meccanismo è stato scoperto nel protozoo ciliato Tetrahymena thermophila.

Al contrario, c'è un altro gruppo di messaggeri che non sono in grado di mediare il proprio splicing, quindi hanno bisogno di macchinari aggiuntivi. Un numero abbastanza elevato di geni nucleari appartiene a questo gruppo.

Il processo di splicing è mediato da un complesso proteico chiamato spliceosoma o complesso di splicing. Il sistema è costituito da complessi di RNA specializzati chiamati piccole ribonucleoproteine ​​nucleari (RNP).

Esistono cinque tipi di RNP: U1, U2, U4, U5 e U6, che si trovano nel nucleo e mediano il processo di giunzione.

Lo splicing può produrre più di un tipo di proteina - questo è noto come splicing alternativo - poiché gli esoni sono disposti in modo differenziale, creando varietà di RNA messaggero.

RNA ribosomiale

L'RNA ribosomiale, abbreviato rRNA, si trova nei ribosomi e partecipa alla biosintesi delle proteine. Pertanto, è un componente essenziale di tutte le cellule.

L'RNA ribosomiale si associa a molecole proteiche (circa 100) per dare origine a presubunità ribosomiali. Sono classificati in base al loro coefficiente di sedimentazione, indicato dalla lettera S per le unità Svedberg.

Un ribosoma è costituito da due parti: la subunità maggiore e la subunità minore. Entrambe le subunità differiscono tra procarioti ed eucarioti in termini di coefficiente di sedimentazione.

I procarioti hanno una grande subunità 50S e una piccola subunità 30S, mentre negli eucarioti la subunità grande è 60S e la piccola 40S.

I geni che codificano per gli RNA ribosomiali si trovano nel nucleolo, una particolare area del nucleo che non è delimitata da una membrana. Gli RNA ribosomiali sono trascritti in questa regione dalla RNA polimerasi I.

Nelle cellule che sintetizzano grandi quantità di proteine; il nucleolo è una struttura prominente. Tuttavia, quando la cellula in questione non richiede un gran numero di prodotti proteici, il nucleolo è una struttura quasi impercettibile.

MicroRNA

I microRNA o miRNA sono un tipo di RNA corto a filamento singolo, compreso tra 21 e 23 nucleotidi, la cui funzione è quella di regolare l'espressione dei geni. Poiché non è tradotto in proteine, è spesso chiamato RNA non codificante.

Come altri tipi di RNA, l'elaborazione del microRNA è complessa e coinvolge un numero di proteine.

I microRNA derivano da precursori più lunghi chiamati mi-priRNA, derivati ​​dalla prima trascrizione del gene. Nel nucleo della cellula, questi precursori vengono modificati nel complesso del microprocessore e il risultato è un pre-miRNA.

I pre-miRNA sono 70 forcine nucleotidiche che continuano ad essere processate nel citoplasma da un enzima chiamato Dicer, che assembla il complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC) e infine il miRNA viene sintetizzato.

Questi RNA sono in grado di regolare l'espressione dei geni, poiché sono complementari a specifici RNA messaggeri. Accoppiandosi con il loro bersaglio, i miRNA sono in grado di sopprimere il messaggero o addirittura di degradarlo. Di conseguenza, il ribosoma non può tradurre tale trascrizione.

Silenziamento dell'RNA

Un tipo particolare di microRNA sono i piccoli RNA interferenti (siRNA), chiamati anche RNA di silenziamento. Sono RNA brevi, compresi tra 20 e 25 nucleotidi, che ostacolano l'espressione di alcuni geni.

Sono strumenti molto promettenti per la ricerca, poiché consentono di mettere a tacere un gene di interesse e quindi studiarne la possibile funzione.

Differenze tra DNA e RNA

Sebbene DNA e RNA siano acidi nucleici e possano sembrare molto simili a prima vista, differiscono per molte delle loro proprietà chimiche e strutturali. Il DNA è una molecola a doppia banda, mentre l'RNA è a banda singola.

In quanto tale, l'RNA è una molecola più versatile e può assumere un'ampia varietà di forme tridimensionali. Tuttavia, alcuni virus hanno RNA a doppia banda nel loro materiale genetico.

Nei nucleotidi dell'RNA la molecola dello zucchero è un ribosio, mentre nel DNA è un desossiribosio, che differisce solo per la presenza di un atomo di ossigeno.

Il legame fosfodiestere nella spina dorsale del DNA e dell'RNA tende a subire un lento processo di idrolisi senza la presenza di enzimi. In condizioni alcaline, l'RNA si idrolizza rapidamente, grazie al gruppo idrossile extra, mentre il DNA no.

Allo stesso modo, le basi azotate che costituiscono i nucleotidi nel DNA sono guanina, adenina, timina e citosina; al contrario, nell'RNA, la timina è sostituita dall'uracile. L'uracile può accoppiarsi con l'adenina, allo stesso modo della timina nel DNA.

Origine ed evoluzione

L'RNA è l'unica molecola conosciuta in grado di immagazzinare informazioni e catalizzare allo stesso tempo reazioni chimiche; Per questo motivo, diversi autori propongono che la molecola di RNA fosse cruciale nell'origine della vita. Sorprendentemente, i substrati per i ribosomi sono altre molecole di RNA.

La scoperta dei ribozimi ha portato alla ridefinizione biochimica di "enzima" -come in precedenza il termine era usato esclusivamente per proteine ​​con attività catalitica-, e ha contribuito a supportare uno scenario in cui le prime forme di vita usavano solo l'RNA come materiale genetico.

Riferimenti

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