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RNA di trasporto

Che cos'è e a cosa serve l'RNA di trasporto?

Si definiscono RNA transfer o RNA di trasporto (tRNA) o RNA di trasferimento quelle molecole di RNA a singolo filamento dalla struttura tridimensionale particolare (vedi di seguito) che fungono appunto da trasportatori di amminoacidi.

Ma i tRNA non sono solo semplici trasportatori in quanto hanno anche il compito di fungere da tramite tra il “linguaggio” genetico costituito da sequenze nucleotidiche e quello proteico, costituito da sequenze amminoacidi.

Si tratta dunque in un certo senso di molecole traduttrici che cooperano con i ribosomi, veri e propri macchinari per la sintesi proteica.

La "traduzione" dell'informazione contenuta nella sequenza di nucleotidi in amminoacidi rappresenta infatti l’essenza della sintesi proteica.

La sequenza nucleotidica viene letta di tripletta in tripletta, ovvero 3 nucleotidi per volta, questi elementi sono definiti codoni. Le molecole di tRNA agiscono da adattatori tra i codoni sull’mRNA e gli amminoacidi che essi stessi trasportano al ribosoma.

Esistono molte molecole varianti di tRNA: ciascuna è legata ad un amminoacido specifico e ciascuna in grado di riconoscere, come vedremo in seguito, uno specifico codone dell'mRNA.

Struttura dell'RNA di trasporto

I tRNA sono costituiti da un filamento di ribonucleotidi di lunghezza variabile tra le 70 e le 75 molecole.

Tutti i tRNA hanno caratteristiche comuni, pur avendo sequenze specifiche, in particolare tutti i tRNA possiedono un'estremità 3' che termina con la sequenza 5'-CCA-3' che rappresenta il sito di legame per lo specifico amminoacido.

Struttura dell'RNA di trasporto

Struttura di un tRNA: in A il singolo filamento, in B la struttura secondaria a trifoglio ed in C la struttura ad “L”.

Le molecole di RNA possono contenere caratteristiche regioni di auto-complementarietà, che consentono la formazione di brevi tratti di doppia elica tenuti insieme  dall'appaiamento delle basi per complementarietà e dunque grazie a ponti ad idrogeno.

I tRNA mostrano una tipica alternanza di regioni a singola e a doppia elica  che prende il nome di struttura secondaria e può essere assimilata alla struttura di un trifoglio (vedi figura sopra).

Nella struttura a trifoglio sono riconoscibili caratteri principali:

  • uno stelo accettore, sito di aggancio dell'amminoacido, formato dall'accoppiamento della regione 5' e 3' con la sequenza 5'-CCA-3', all'estremità 3';
  •  tre strutture stelo-ansa, denominate ansa ψU per la presenza di un uracile modificato;
  • un’ansa D che presenta anch’essa nucleotidi chimicamente modificati;
  • l’ansa dell'anticodone che contiene appunto l'anticodone, ovvero l’elemento decodificante di tre nucleotidi che è in grado di riconoscere il codone sull’mRNA attraverso  la complementarietà delle basi azotate. L’anticodone si trova nella foglia in basso della struttura a trifoglio;
  • una quarta ansa variabile localizzata tra l'ansa dell'anticodone e quella ψU di lunghezza variabile, compresa tra 3 e 21 nucleotidi.

I tRNA possiedono anche una struttura tridimensionale (struttura terziaria) data dal ripiegamento nello spazio della struttura secondaria. Questa struttura terziaria è stata rilevata dalla cristallografia a raggi ed appare a forma di “L”.

Struttura terziaria a “L” dei tRNA

Struttura terziaria a “L” dei tRNA.

Il legame degli amminoacidi all'RNA di trasporto

I tRNA per poter svolgere la loro funzione all’interno del processo della sintesi proteica devono essere caricati con lo specifico amminoacido. Questo caricamento richiede la formazione di un legame chimico tra il gruppo carbossilico dell'amminoacido ed il gruppo idrossilico al 2' o al 3' dell’adenosina che protrude dallo stelo accettore.

Si tratta di un legame ad alta energia importante nella sintesi proteica poiché l’energia rilasciata dalla sua rottura è utilizzata per la formazione del legame peptidico tra due amminoacidi della catena polipeptidica in formazione all’interno del ribosoma.

Il caricamento dei tRNA avviene ad opera di enzimi detti amminoacil-tRNA sintetasi che catalizzato l’aggancio di un amminoacido allo specifico tRNA in due stadi mostrati nella figura di seguito:

Meccanismo d’azione dell’enzima amminoacil-tRNA sintetasi

Meccanismo d’azione dell’enzima amminoacil-tRNA sintetasi.

Il primo stadio, di preparazione in un certo senso, consiste nell’adenililazione dell’amminoacido tramite una molecola di ATP, ovvero il legame di una molecola di AMP all’amminoacido con rilascio di pirofosfato, l’energia per la formazione del legame è ricavata dalla successiva idrolisi del pirofosfato.

Il secondo stadio è rappresentato dal vero e proprio caricamento del tRNA: l'amminoacido adenililato, legato all’enzima, reagisce con l’estremità 3’ del tRNA, in particolare con il gruppo ossidrilico (OH) in posizione 2' o 3'. Al termine l’AMP viene rilasciata.

Ciascuno dei 20 amminoacidi viene legato al corretto tRNA da una singola specifica amminoacil-tRNA sintetasi, esistono dunque 20 specifiche amminoacil-tRNA sintetasi.

Il codice genetico e la sintesi delle proteine

Abbiamo visto che esistono 20 specifiche amminoacil-tRNA sintetasi in grado di caricare ciascuno dei 20 amminoacidi allo specifico, corretto tRNA.

Occorre tuttavia specificare che ogni amminoacido è rappresentato da più codoni sull’mRNA dunque esistono più molecole di tRNA per ciascun amminoacido, le quali possiedono anticodoni complementari ai vari codoni che codificano per quello specifico amminoacido.

Questo è dovuto proprio al fatto che il codice genetico è costituito da triplette per cui esistono 64 possibili combinazioni dei 4 nucleotidi in triplette, come rappresentato nella figura seguente.

La figura rappresenta il codice genetico, ovvero la corrispondenza tra codone sull’mRNA e amminoacido. 3 di queste triplette codificano per il segnale di stop della traduzione (il segnale cioè che libera il polipeptide in formazione dal ribosoma e termina di fatto la sintesi proteica). Sono quindi necessari 61 tRNA che corrispondono alle 61 triplette codificanti.

codice genetico

Il codice genetico.

Sulla base del fatto che dunque possono esistere più triplette che codificano per lo stesso amminoacido il codice genetico si dice degenerato.

Si noti come solitamente la terza base azotata del codone (della tripletta) varia mentre le prime due posizioni sono identiche nella codifica dello stesso amminoacido, questo riduce gli errori di appaiamento nel corso della sintesi proteica.

Il processo di sintesi proteica avviene nei ribosomi, vere e proprie macchine specializzate costituite da molecole di RNA dette ribosomiali e proteine (enzimi e proteine di struttura) specifiche.

ribosoma

Rappresentazione di un ribosoma nel quale sta avvenendo la sintesi di un polipeptide.

Nel ribosoma il messaggero per una proteina viene letto codone dopo codone e l’appaiamento degli specifici tRNA avviene tra codone ed anticodone.

Viene catalizzata la formazione del legame peptidico tra l’amminoacido in entrata e quello presente nella catena polipeptidica in formazione fino al raggiungimento del codone di stop che consente la liberazione della struttura primaria della proteina neo formata.

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