Biologia 12 - RNA, trascrizione e traduzione (parte 1)

Lezione 12 di biologia, RNA, trascrizione e traduzione. In questa lezione ci occuperemo del cosiddetto dogma centrale della biologia, cioè il meccanismo che sta al centro della formazione delle proteine a seconda di ciò che codifica il DNA, passando ovviamente attraverso la forma di trascrizione che è nota come RNA. Ed è proprio l'RNA il primo argomento di cui ci occupiamo.

L'RNA è una molecola molto simile al DNA. Innanzitutto la sigla sta per ribonucleic. Tuttavia, rispetto al DNA delle differenze.

Innanzitutto il filamento di RNA è singolo, poi la base azotata timina viene sostituita dalla base azotata uracile e infine il pentoso presente nella catena di RNA non è il desossiribosio, ma il ribosio che rispetto al deossiribosio presenta un gruppo ossidrile al posto di un idrogeno. Quindi l'unione di una base azotata, un fosfato e un ribosio formano un ribonucleotide, cioè l'unità base dell'RNA che è diversa dal deossi ribonucleotide che è l'unità base del DNA. I vari ribonucleotidi formano una catena in direzione 5 3 prim.

Il conteggio è lo stesso che si utilizza per il DNA. Molti sono i tipi di RNA, possiamo dividerli secondo varie categorie. Secondo una classificazione abbiamo RNA citoplasmatici ed RNA nucleari a seconda del posto che occupano nella cellula.

Un'altra classificazione invece li divide in codificanti e non codificanti. Quelli codificanti sono solo il 4% mentre i non codificanti sono il 96%. Parlando in termini di quantità.

L'unico RNA codificante è l'RNA messaggero che ha un ruolo base nella sintesi delle proteine basata sul codice genetico. Questo processo è chiamato anche traduzione. Sono importanti nella traduzione anche il TRNA e l'RRRNA, anche se non hanno funzione codificante.

Parliamo ora dell'RNA messaggero. L'RNA messaggero è implicato in diversi processi. Innanzitutto la trascrizione, cioè la forma di una copia appunto di RNA messaggero dal DNA, poi la migrazione che è il processo attraverso cui questo RNA raggiunge il citoplasma e infine la traduzione che è il processo in cui ciò che è scritto in questo RNA viene traslato nel linguaggio delle proteine, cioè viene sintetizzata una proteina usando come amminoacidi quelli codificati dall'RNA messaggero.

Tuttavia, l'RNA messaggero non viene sintetizzato direttamente, ma subisce un processo molto complesso di maturazione che dal pre mRNA porta all mRRNA maturo. Questo processo accade nel nucleo. Il primo passaggio è l'insieme di due processi chiamati capping e poliadenilazione.

Il capping è l'aggiunta all'estremità 5 dell'RNA di una sette metilguanosina, cioè una guanina modificata. La poliadenilazione invece è l'aggiunta di 150-200 nucleotidi adenedici al termine 3 primo della catena. La funzione del capping è quella di proteggere il filamento dall'errneasi del citoplasma, consentirne il trasporto e il riconoscimento con il ribosoma.

La poliadenilazione invece, oltre a proteggere l'RNA dalle isonucleasi e dalle endonucleasi, ha la funzione di decidere la durata del trascritto, poiché più è lunga la coda in poliadenine e più il trascritto avrà una vita lunga che comunque è nell'ordine dei minuti o delle ore. Ora il processo più complesso di maturazione è di certo lo splicing. Concettualmente lo splicing consiste nell'eliminazione di porzioni geniche dette introni dal trascritto in RNA.

Gli introni sono delle porzioni non codificanti che non hanno nessuna funzione nel codificare proteine. Tuttavia hanno una grande importanza regolatoria per il DNA. Tuttavia, l'RNA messaggero non ha bisogno di questa regolazione.

Per questo gli introni devono essere eliminati dal trascritto, altrimenti codificherebbero per tratti di proteina o incompleti o comporterebbero il blocco della traduzione. Dopo aver eliminato gli introni, il processo di splicing provvede anche a giuntare le parti codificanti chiamate i soni. È interessante notare come nel corso dell'evoluzione la quantità di introni nel DNA sia aumentata o perlomeno si sia ridotta la quantità di esoni.

Nell'uomo solo il 3% del DNA è codificante, il 97% è composto da introni. Questo perché gli introni non sono sequenze inutili, semplicemente non codificano per delle proteine, ma hanno una grandissima importanza regolatoria, in quanto regolano un sacco di eventi cellulari attraverso decisioni su quali geni debbano essere trascritti e quali no. Esistono diversi tipi di splicing.

La forma base è chiamata splicing normale. Lo splicing normale prevede l'utilizzo di un complesso ribozzimatico chiamato spliosoma. Lo spliosoma è formato dall'unione di cinque RNA nucleari non codificanti chiamati SNRRNA.

Ogni SNR RRNA lega delle proteine nell'ordine delle 50-150 e forma dei complessi ribbonucleoproteici chiamati snorps, che è una vocalizzazione di SNRNP. I cinque snorfs insieme formano lo splesiosoma, cioè il complesso che provvede al taglio, alla maturazione del trascritto di preRNA. È interessante notare come l'RNA, insieme alle proteine formi dei complessi molto importanti dal punto di vista catalitico, cosiddetti ribozzimi.

I ribozzimi sono un'enorme conquista dell'evoluzione in quanto sono molto più precisi degli enzimi e svolgono delle funzioni molto più complesse proprio grazie all'interazione tra RNA e proteina. Questa è un'immagine a scansione dello spliciosoma. Il fenomeno preciso di Splicing avviene attraverso una serie di eventi ben determinati.

Lo spliio soma scorre l'intero trascritto, dopodiché comincia il vero e proprio processo. In questo processo sono importanti tre porzioni dell'introne. Il primo è il sito splicing 5, ogni introne comincia con il dinucleotide GU.

Poi c'è il sito di Splicing 3: ogni introne finisce con il dinucleotide AG. Al centro dell'introne è presente l'eptanucleotide UAC UAAC che è chiamato sito branch, cioè sito di piegamento. Lo splio som agisce in questa maniera.

Si lega al sito displicing 5 primo ed effettua un taglio. Dopodiché ribalta l'estremità tagliata sul sito branch e la lega formando un legame tra base e anomalo. Infine taglia il sito di Splicing 3 prim, dopodiché l'anello di introne viene eliminato e i due soni vengono giuntati.

In questa immagini abbiamo il meccanismo a livello ancora più preciso. La Snorp 1 si lega al sito di Splicing 5, mentre la U2 si lega al sito branch. A questo punto intervengono U4, U5 e U6 che legano i primi due componenti formando lo splesiosoma.

U1 viene eliminato dal complesso e a questo punto avviene il taglio ad opera di Usei. In seguito il complesso ribalta l'estremità tagliata sul sito branch, dopodiché passa a tagliare il sito 3 primo. Esiste poi una forma di splicing detto alternativo che è ancora più interessante in quanto si è sviluppata durante l'evoluzione.

Lo splicing alternativo è un modo diverso di tagliare gli introni a seconda dello spazio e del tempo. Le cellule, quindi, in determinate condizioni spaziali o in determinati periodi, sono capaci di produrre da uno stesso preemm RRNA tanti RNA finali diversi e quindi tante proteine. Lo spacing alternativo, in pratica, consiste o nell'escludere un esone o nell'includere parte di un introne o nell'includere un intero introne oppure nell'includere all'interno del trascritto degli esoni alternativi.

Questo processo permette di ottenere da un singolo gene molte più proteine. si suppone che almeno il 60-80% dei geniano fare lo splicing alternativo. Un esempio è il gene della proprio melanocortina, una sostanza prodotta a livello del sistema nervoso centrale.

Il gene della proprio melanocortina è capace, grazie allo splicing alternativo, di produrre numerose sostanze, tra cui l'intermedina, che è l'ormone stimolante melanociti, la CTH, cioè l'ormone adrenalicotropo e altre molecole come le encefaline e le endorfine. Tutto questo da unico preRNA grazie semplicemente a uno splicing alternativo diverso. Un'altra forma di splicing è il self splicing, in cui l'introne è dotato di attività autocatalitica, cioè riesce a catalizzare da solo il suo staccamento dal trascritto primario senza bisogno dello spliciosoma.

Il transplicing poi è un'altra forma di splicing sviluppata più che altro negli eucarioti inferiori. Mentre in uno splicing normale di due trascritti gli esoni vengono giuntati all'interno dello stesso trascritto, nel transplicing abbiamo due trascritti che dopo aver eliminato gli introni si scambiano gli esoni. Questo tipo di risposta è utilizzata molto negli eucarioti inferiori, come ad esempio i vermi nematodi.

Altro processo di maturazione del prem RNA è l'editing. L'editing consiste o nell'inserzione di una base o nella delezione di una base o nella deamminazione dell'uracile che lo trasforma in citosina o il contrario. Questo processo di editing serve per cambiare i risultati finali di poco.

Mentre lo splacing alternativo cambia completamente il tipo di proteina che viene prodotto, l'editing è capace di generare isoforme delle proteine, cioè delle forme simili ma diverse per alcuni amminoacidi. Le isoforme servono nei diversi tessuti per svolgere funzioni simili, ma che hanno bisogno di piccole differenzia come ad esempio gli enzimi, che sono gli stessi in tutto il corpo, ma in alcuni tessuti sono più espresse alcune forme che sono più adatte al metabolismo di quel tessuto. L'ultima tappa è il controllo.

Il controllo avviene attraverso i pori nucleari. I pori nucleari controllano quali RNA messaggeri possono passare nel citoplasma, quindi quali RNA messaggeri sono stati maturati nel modo migliore. Il controllo si basa sulla presenza del cap, sulla presenza della poliadenilazione e sulla corretta giunzione delle cuciture di splicing.

In questo modo solo gli RNA messaggeri che sono stati correttamente maturati possono passare. Quelli non giuntati non passano, quelli senza pure a denilazione non passano, quelli senza capo. E neppure eventuali introni lasciati liberi a vagare del nucleo possono passare.

Passiamo ora a parlare del TRNA o RNA di trasporto. L'RNA di trasporto, in inglese transfer RNA, ha una forma bidimensionale a quadrifoglio con quattro bracci. uno chiamato braccio AA, la cui funzione è quella di legare l'amminoacido.

Il braccio opposto, chiamato braccio anticodon, presenta il sito d'attacco all'RNA messaggero. Questo complesso presenta poi due braccia laterali, una chiamata TPSC oppure sito di attacco all'enzima attivato e l'altra chiamata ANSAD che è il sito d'attacco a ribosoma. Oltretutto molti TRNA presentano anche un braccio accessorio, la cui funzione è solo quella di guidare il ripiegamento.

Infatti la forma ripiegata dell' RNA di trasporto è una specie di L capovolta, ma è proprio grazie a questa forma che può svolgere la sua funzione. La funzione dell RNA di trasporto è quella di legare gli amminoacidi e trasportarli nel sito della sintesi proteica, in modo da far avvenire la vera e propria traduzione tra ciò che c'è scritto sull'mRNA e gli amminoacidi. Il tna, quindi, è un adattatore che da un lato lega l'amminoacido e dall'altro lega l' mRRNA, in modo che a ogni tripletta di mRNA corrisponde il giusto amminoacido.

Questa forma di RNA presenta dei nucleotidi insolidi come le metil guanosine o le metiladenine o altri amminoacidi come le inosine o le pseuduridine. Interessante il processo di aggancio tra ogni tNA e il suo amminoacido. Un tena può legare uno ed un solo amminoacido.

Questo avviene grazie agli amminoacilti RNA sintasi. Esiste un amminocil RNA sintasi per ogni amminoacido. Questo enzima lega l'amminoacido che per cui è specifico e lega l'ATP.

Rimuove due fosfati dall'ATP e forma un intermedio aminoacil AMP, cioè un aminoacido legato alla MP. A questo punto vi si lega il TRNA messaggero fatto apposta per questo amminoacido. La specificità è data dal braccio d'attacco all'enzima attivato.

Una volta appurata la specificità, la MP viene degradato e grazie a questa degradazione avviene un legame tra il TRNA e l'amminoacido. A questo punto avviene la funzione di proof reading, cioè l'enzima controlla che il trna sia stato legato all'amminoacido con il gruppo R corretto. Avviene solo un errore ogni 40.

000 accoppiamenti che è un ottimo risultato per un enzima. Passiamo ora a parlare dell'RNA ribosomale. L'RNA ribosomale è un RNA che compone i ribosomi.

I ribosomi sono corpuscoli fatti da due subunità, una del peso di 60S e l'altra del peso di 40, dove Sta per coefficiente di sedimentazione. In parole povere, delle due subunità, una affonda più velocemente se messa in acqua, l'altra affonda più lentamente. Tuttavia, il ribosoma completo, quando le due subunità sono messe insieme, ha un coefficiente di sedimentazione di 80 e non di 100, come ci si aspetterebbe.

Questo perché il coefficiente di sedimentazione non dipende dalla somma dei coefficienti iniziali, ma dipende dalla forma dell'oggetto che si viene a creare quando si mettono insieme le due subunità. La subunità maggiore è costituita da tre tratti di RNA ribosomale 28S, 5. 8S 5S più una cinquantina di proteine, mentre la subunità minore è formata da un solo renea ribosomale che è il 18s più 33 proteine.

Appare chiaro quindi che i ribosomi non sono altro che dei ribozzimi, cioè insiemi di proteine enzimatiche e RNA. Sono anche chiamati, infatti complessi ribonucleoproteici. Ora, il più importante degli RNA della subunità maggiore è il 28s.

Questo, oltre ad avere funzione strutturale, anche una funzione enzimatica nella sintesi proteica e oltretutto è lui che media il legame con l'RNA transfer. La subunità minore invece svolge le sue funzioni grazie al 18s che oltre ad avere funzione strutturale permette anche di riconoscere l'RNA messaggero e l'RNA transfer. Come viene sintetizzato l'RNA ribosomale?

Buona parte dell' RNA ribosomale viene dalle Nucleolore Organizing Region, che sono le regioni di organizzazione dei nucleoli che si trovano appunto al centro dei nucleoli. Queste regioni sono dovute alla desperializzazione dei cromosomi acrocentrici, in particolare dei loro bracci corti, oltre la costrizione secondaria. I cromosomi in questione sono il 13, il 14, il 15, il 21 e il 22.

Nei nucleoli viene quindi trascritto un pre RRRNA chiamato 45S che è la somma del 18, del 5. 8 e del 28s più alcuni introni. A questo punto avviene una una metilazione, una pseuduridilazione dei segmenti esonici, dopodiché avviene un taglio per cui i tre pezzi si separano.

La parte che manca, il 5s, viene invece sintetizzato a partire dal braccio corto del cromosoma 1, subendo più o meno gli stessi processi, solo che viene sintetizzato da solo e non legato ad altri trascritti. I processi di metilazione e pseuduridilazione a livello chimico sono, nel caso della metilazione l'aggiunta di un gruppo CH3, nel caso della pseudurilazione la formazione a partire dal ribosio di una pseudouridina, una classe di molecola molto simile all'uridina. Quindi nel nucleo vengono formati i trascritti principali.

Il 5. 8S e il 28s si associano e si spostano vicino al 5S. A questo punto dal citoplasma vengono sintetizzate le varie proteine ribosomali che entrano nel nucleo e formano quindi con i con gli RNA ribosomali i complessi ribonucleoproteici che sono le subunità dei che andranno quindi ad associarsi.

Passiamo ora a parlare di altri RNA acidoplasmatici molto importanti, i CRNA. Il CRNA, che vuol dire small interfering RNA, è uno dei due RNA che fa parte del sistema di interferenza. Il CRNA è un piccolo RNA, come dice il nome stesso, poiché è composto solo da 19-21 nucleotidi appaiati in modo sfalsato.

Questi, insieme ad un complesso proteico, sono capaci di appaiarsi all'MRNA, per cui ha un'altra specificità e distruggerlo. Ecco perché si tratta di un sistema di interferenza. La funzione, il CRNA funziona in maniera molto particolare e la sua logica non è ancora del tutto compresa.

Innanzitutto l'origine del CRNA è esogena di solito, cioè i DNA doppia catena virali o quelle artificiali vengono introdotti nella cellula e tagliati da deser che è un sistema proteico di enzimi fatti apposta per tagliare questi piccoli RNA. Oppure può avvenire la trascrizione di partiro genoma che non sono ancora del tutto comprese, come gli pseudogeni o i trasposoni. Questi vengono quei tagliati daer come se fossero di dei RNA esogeni.

Si ottiene quindi il CRNA doppia catena da 19-21 nucleotidi. Questo CRNA lega a un complesso chiamato risk. formando appunto il complesso Sirisk.

Sirisk degrada quindi la catena senso, dopodiché si forma il complesso scacattivato che è capace di legare gli RNA messaggeri per cui ha un'alta complementarietà e degradarli. In questo modo si attua lo spegnimento di alcuni geni, poiché distruggendo l' mRRNA è come se il gene non si esprimesse. Altro sistema simile al CRNA è composto dai micro RNA o mi RNA abbreviato.

I mie RNA sono un po' più lunghi, 20-22 nucleotidi e non hanno un'altra specificità per il loro target, cioè per il loro bersaglio. Infatti sono capaci non tanto di degradare il loro bersaglio, quando quanto più che altro di silenziarlo. Il micro RNA è una struttura di maturazione molto simile al CRNA, ma cambia l'origine.

Viene infatti da geni endogeni. Ogni gene che sintetizza per un RNA messaggero, se preso di mira dalla RNA polimerasi 2, sintetizza anche un micro RNA. A dire il vero sintetizza un prim mi RNA da 100 nucleodili che viene poi tagliato da Drscia e inseguito da Deser, formando quindi il micro RNA vero e proprio da una ventina di nucleotidi circa.

Anche questo si associa al risk, dopodiché viene degradata la catena senso e si forma il complesso mi risk. Questo lega l'erna messaggero. Se la specificità è alta lo degrada.

Se la specificità è bassa si limita a silenziarlo. In questa tabella vediamo un confronto tra MRNA e srna. Il filamento di RNA da cui origina il micro RNA è singolo, mentre il CRNA origina da un filamento a doppia catena.

Oltretutto il MRNA origina dall'interno, mentre il CRNA viene dall'esterno, cioè dagli DSRRNA virali o artificiali. La complementarietà con il target è imperfetta nel micro RNA, mentre deve essere molto alta nel CRNA. La variabilità dei target è alta per i micro RNA, poiché sono poco specifici, mentre il CR RNA è preciso, quindi colpisce solo pochi target.

L'effetto è diverso, mentre per il CRNA si tratta sempre di degradazione del target. Per il mio RNA si tratta più che altro di un blocco traduzionale. Vediamo ora l'ultimo tipo di RNA acidoplasmatico, l'SCRNA.

Non si sa ancora molto degli SCRNA. Sono molecole di RNA a doppio filamento e a forcelle trovate nel citoplasma. Alcune hanno un ruolo nell'indirizzare le proteine, ma molte altre hanno ancora una funzione quasi del tutto ignota.

Adesso passiamo agli RNA nucleari. I primi sono gli SN RNA. Gli small nuclear e RNA sono una serie di sei molecole di RNA fatte ad anelli e a forcelle con alcuni tratti a doppio filamento che si trovano nel nucleo.

Si sa che la U1, la U2, la U4, la U5 e la U6 sono molto importanti per la maturazione dell'RNA messaggero. La U3 ha una funzione che non è ancora del tutto compresa. Questi complessi, associandosi a delle proteine, formano gli snorps che, mettendosi insieme formano lo spliciosoma, la cui funzione abbiamo visto essere quella di far maturare l'RNA messaggero e più in particolare di far avvenire il processo di splicing.

Allo stesso modo esistono gli snow RNA, small nucleolar RNA che hanno una funzione importante per la maturazione, ma non dell'RNA messaggero, bensì dell'RNA ribosomiale. Gli snow RNA sono forcelle di 60-300 nucleotidi che presentano dei motivi conservati, cioè sempre uguali nel corso dell'evoluzione. Una classe di snow RNA sono gli RNA CD che presentano appunto il box C e il box D.

Questi box hanno la funzione di far avvenire la metilazione dell'RNA ribosomiale. Invece gli SNO RNA della classe H/ACA hanno la funzione di far avvenire la pseudurilazione dell'erna ribosomiale. Ovviamente neppure questi complessi di RNA funzionano da soli, ma devono associarsi a delle proteine, formando quindi le snorps, cioè small nucleolar ribonucleo proteins.

L'ultima classe che vediamo è quella degli HNRRNA. HNRRNA sta per heterogeneus, nucleolar RNA. Non si capisce ancora bene quale sia la funzione di questi RNA.

In gran parte però sono RNA non maturi come il prem RRNA, il pri micro RNA o gli RNA ribosomiali allo stato ancora immaturo. A volte possono essere associati a proteine. Questo fa supporre che possano avere una funzione a parte.

Infine, vediamo una serie di termini che saranno utili e sono stati utili nel corso dello studio del DNA e dell'RNA. Il processo di replicazione o duplicazione consiste nel fare un duplicato uguale dell'oggetto da cui si parte. La replicazione del DNA, l'abbiamo vista nella scorsa lezione.

La replicazione dell'RNA è un processo invece che avviene soprattutto nei virus. consiste nel fare una copia identica nella stessa materia da cui si parte. La trascrizione invece è un processo che consiste nel trascrivere l'informazione dalla forma stabile che è il DNA alla forma instabile che è l'RNA.

Il trascritto è ciò che si origina dalla trascrizione e non è necessariamente un RNA maturo perché i primi trascritti di RNA messaggero sono i preRNA che devono maturare prima di essere chiamati mRNA. Traduzione è il processo che vedremo in futuro che consiste nel trasformare l'informazione scritta sull'RNA in proteine. Questo avviene grazie all'RNA transfer che è capace di adattare il linguaggio dell'RNA al linguaggio delle proteine.

Abbiamo visto poi l'uso delle parole catene senso e antisenso. Quando il DNA viene aperto per essere trascritto, la catena trascritta viene chiamata catena senso. Quella sul lato opposto si chiama antisenso e non viene mai trascritta, serve solo per dare stabilità alla catena senso.

La parola gene viene usata per indicare un tratto di DNA che codifica per delle proteine o per un tipo particolare di RNA. Espressione genica è il modo attraverso cui un gene produce i suoi prodotti. L'espressione genica viene molto regolata nelle cellule, soprattutto negli eucarioti superiori.

L'espressione genica è mediata soprattutto dagli introni, oltre che dai fattori proteici che legano gli introni. Il termine codificare, infine, si usa per dire essere portatore di un codice, cioè essere portatore di un sistema che permette di tradurre da un linguaggio all'altro. Quando si dice che l'RNA codifica per le proteine, si intende dire che l'RNA attraverso i ribosomi è capace di trascrivere il suo messaggio che è solo teorico, in un altro linguaggio che è quello delle proteine che hanno invece una funzione pratica.

M.