- Struttura
- Caratteristiche
- Nei procarioti
- Negli eucarioti
- Cos'è un gene?
- RNA polimerasi II
- Fattori di trascrizione
- RNA polimerasi I e III
- Fattori di trascrizione
- RNA polimerasi negli organelli
- In archaea
- Differenze con la DNA polimerasi
- Riferimenti
La RNA polimerasi è un complesso enzimatico responsabile della mediazione della polimerizzazione di una molecola di RNA, da una sequenza di DNA utilizzata come stampo. Questo processo è il primo passo nell'espressione genica e si chiama trascrizione. La RNA polimerasi si lega al DNA in una regione molto particolare, nota come promotore.
Questo enzima - e il processo di trascrizione in generale - è più complesso negli eucarioti che nei procarioti. Gli eucarioti possiedono più RNA polimerasi specializzate in determinati tipi di geni, a differenza dei procarioti in cui tutti i geni sono trascritti da una singola classe di polimerasi.
Struttura della RNA polimerasi in azione.
Fonte: I, Splette
La maggiore complessità all'interno del lignaggio eucariotico negli elementi relativi alla trascrizione è presumibilmente correlata a un più sofisticato sistema di regolazione genica, tipico degli organismi multicellulari.
Negli archaea, la trascrizione è simile al processo che si verifica negli eucarioti, nonostante abbiano una sola polimerasi.
Le polimerasi non agiscono da sole. Affinché il processo di trascrizione possa iniziare correttamente, è necessaria la presenza di complessi proteici chiamati fattori di trascrizione.
Struttura
La RNA polimerasi meglio caratterizzata sono le polimerasi dei batteri. Consiste di più catene polipeptidiche. L'enzima ha diverse subunità, catalogate come α, β, β ′ e σ. È stato dimostrato che quest'ultima subunità non partecipa direttamente alla catalisi, ma è coinvolta nello specifico legame al DNA.
Infatti, se rimuoviamo la subunità σ la polimerasi può ancora catalizzare la sua reazione associata, ma lo fa nelle regioni sbagliate.
La subunità α ha una massa di 40.000 dalton e ce ne sono due. Delle subunità β e β ′ ce n'è solo 1 e hanno una massa rispettivamente di 155.000 e 160.000 dalton.
Queste tre strutture si trovano nel nucleo dell'enzima, mentre la subunità σ è più lontana ed è chiamata fattore sigma. L'enzima completo - o oloenzima - ha un peso totale vicino a 480.000 dalton.
La struttura della RNA polimerasi è ampiamente variabile e dipende dal gruppo studiato. Tuttavia, in tutti gli esseri organici è un enzima complesso, composto da più unità.
Caratteristiche
La funzione della RNA polimerasi è la polimerizzazione dei nucleotidi di una catena di RNA, costruita da uno stampo di DNA.
Tutte le informazioni necessarie per la costruzione e lo sviluppo di un organismo sono scritte nel suo DNA. Tuttavia, le informazioni non vengono tradotte direttamente in proteine. È necessario il passaggio intermedio a una molecola di RNA messaggero.
Questa trasformazione del linguaggio da DNA a RNA è mediata dalla RNA polimerasi e il fenomeno è chiamato trascrizione. Questo processo è simile alla replicazione del DNA.
Nei procarioti
I procarioti sono organismi unicellulari, senza un nucleo definito. Di tutti i procarioti, l'organismo più studiato è stato l'Escherichia coli. Questo batterio è un normale abitante del nostro microbiota ed è stato il modello ideale per i genetisti.
La RNA polimerasi è stata isolata per la prima volta da questo organismo e la maggior parte degli studi di trascrizione sono stati eseguiti in E. coli. In una singola cellula di questo batterio possiamo trovare fino a 7000 molecole di polimerasi.
A differenza degli eucarioti che hanno tre tipi di RNA polimerasi, nei procarioti tutti i geni vengono elaborati da un singolo tipo di polimerasi.
Negli eucarioti
Cos'è un gene?
Gli eucarioti sono organismi che hanno un nucleo delimitato da una membrana e hanno organelli diversi. Le cellule eucariotiche sono caratterizzate da tre tipi di RNA polimerasi nucleari e ogni tipo è responsabile della trascrizione di particolari geni.
Un "gene" non è un termine facile da definire. Di solito, siamo abituati a chiamare "gene" qualsiasi sequenza di DNA che viene infine tradotta in una proteina. Sebbene l'affermazione precedente sia vera, esistono anche geni il cui prodotto finale è un RNA (e non una proteina), oppure sono geni coinvolti nella regolazione dell'espressione.
Esistono tre tipi di polimerasi, designate come I, II e III. Descriveremo le sue funzioni di seguito:
RNA polimerasi II
I geni che codificano per le proteine - e coinvolgono un RNA messaggero - sono trascritti dalla RNA polimerasi II. Per la sua rilevanza nella sintesi proteica, è stata la polimerasi più studiata dai ricercatori.
Fattori di trascrizione
Questi enzimi non possono dirigere da soli il processo di trascrizione, hanno bisogno della presenza di proteine chiamate fattori di trascrizione. Si possono distinguere due tipi di fattori di trascrizione: generale e aggiuntivo.
Il primo gruppo comprende proteine che sono coinvolte nella trascrizione di tutti i promotori delle polimerasi II. Questi costituiscono il meccanismo di base della trascrizione.
Nei sistemi in vitro sono stati caratterizzati cinque fattori generali che sono indispensabili per l'inizio della trascrizione da parte della RNA polimerasi II. Questi promotori hanno una sequenza di consenso chiamata "scatola TATA".
Il primo passaggio nella trascrizione prevede il legame di un fattore chiamato TFIID alla scatola TATA. Questa proteina è un complesso con più subunità, inclusa una specifica scatola di legame. È anche costituito da una dozzina di peptidi chiamati TAF (fattori associati a TBP).
Un terzo fattore coinvolto è TFIIF. Dopo che la polimerasi II è stata reclutata, i fattori TFIIE e TFIIH sono necessari per l'inizio della trascrizione.
RNA polimerasi I e III
Gli RNA ribosomiali sono elementi strutturali dei ribosomi. Oltre all'RNA ribosomiale, i ribosomi sono costituiti da proteine e sono responsabili della traduzione di una molecola di RNA messaggero in proteina.
Anche gli RNA di trasferimento partecipano a questo processo di traduzione, portando all'amminoacido che sarà incorporato nella catena polipeptidica in formazione.
Questi RNA (ribosomiali e di trasferimento) vengono trascritti dalle RNA polimerasi I e III. La RNA polimerasi I è specifica per la trascrizione dei più grandi RNA ribosomiali, noti come 28S, 28S e 5.8S. La S si riferisce al coefficiente di sedimentazione, cioè alle velocità di sedimentazione durante il processo di centrifugazione.
La RNA polimerasi III è responsabile della trascrizione dei geni che codificano per gli RNA ribosomiali più piccoli (5S).
Inoltre, una serie di piccoli RNA (ricorda che esistono più tipi di RNA, non solo i più noti RNA messaggeri, ribosomiali e di trasferimento) come i piccoli RNA nucleari, vengono trascritti dall'RNA polimerasi III.
Fattori di trascrizione
La RNA polimerasi I, riservata esclusivamente alla trascrizione di geni ribosomiali, richiede diversi fattori di trascrizione per la sua attività. I geni che codificano l'RNA ribosomiale hanno un promotore situato a circa 150 paia di basi "a monte" dal sito di inizio trascrizionale.
Il promotore è riconosciuto da due fattori di trascrizione: UBF e SL1. Questi si legano cooperativamente al promotore e reclutano la polimerasi I, formando il complesso di iniziazione.
Questi fattori sono costituiti da più subunità proteiche. Allo stesso modo, TBP sembra essere un fattore di trascrizione condiviso per tutte e tre le polimerasi negli eucarioti.
Per la RNA polimerasi III, sono stati identificati i fattori di trascrizione TFIIIA, TFIIIB e TFIIIC. Questi si legano sequenzialmente al complesso di trascrizione.
RNA polimerasi negli organelli
Una delle caratteristiche distintive degli eucarioti sono i compartimenti subcellulari chiamati organelli. I mitocondri ei cloroplasti hanno una RNA polimerasi separata che ricorda questo enzima nei batteri. Queste polimerasi sono attive e trascrivono il DNA trovato in questi organelli.
Secondo la teoria endosimbiotica, gli eucarioti derivano da un evento di simbiosi, in cui un batterio ne ha inghiottito uno più piccolo. Questo fatto evolutivo rilevante spiega la somiglianza tra le polimerasi dei mitocondri con la polimerasi dei batteri.
In archaea
Come nei batteri, negli archei esiste un solo tipo di polimerasi responsabile della trascrizione di tutti i geni dell'organismo unicellulare.
Tuttavia, l'RNA polimerasi degli archaea è molto simile alla struttura della polimerasi negli eucarioti. Presentano una scatola TATA e fattori di trascrizione, TBP e TFIIB, in particolare.
In termini generali, il processo di trascrizione negli eucarioti è abbastanza simile a quello riscontrato negli archaea.
Differenze con la DNA polimerasi
La replicazione del DNA è orchestrata da un complesso enzimatico chiamato DNA polimerasi. Sebbene questo enzima sia spesso paragonato alla RNA polimerasi - entrambi catalizzano la polimerizzazione di una catena nucleotidica nella direzione da 5 ′ a 3 ′ - differiscono per diversi aspetti.
La DNA polimerasi necessita di un breve frammento nucleotidico per avviare la replicazione della molecola, chiamato primer o primer. La RNA polimerasi può iniziare la sintesi de novo e non necessita del primer per la sua attività.
La DNA polimerasi è in grado di legarsi a vari siti lungo un cromosoma, mentre la polimerasi si lega solo ai promotori del gene.
Per quanto riguarda i meccanismi di correzione di bozze degli enzimi, quelli della DNA polimerasi sono molto più conosciuti, potendo correggere i nucleotidi sbagliati che sono stati polimerizzati per errore.
Riferimenti
- Cooper, GM, Hausman, RE e Hausman, RE (2000). La cellula: un approccio molecolare (Vol. 2). Washington, DC: stampa ASM.
- Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, … e Matsudaira, P. (2008). Biologia cellulare molecolare. Macmillan.
- Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Biologia molecolare della cellula. 4a edizione. New York: Garland Science
- Pierce, BA (2009). Genetica: un approccio concettuale. Ed. Medica panamericana
- Lewin, B. (1975). Espressione genica. Libri UMI su richiesta.