L'RNA, o acido ribonucleico, è uno dei due acidi nucleici presenti in natura. L'altro, acido desossiribonucleico (DNA), è sicuramente più fissato nell'immaginazione. Persino le persone con scarso interesse per la scienza hanno la sensazione che il DNA sia vitale nel passaggio di tratti da una generazione all'altra e che il DNA di ogni essere umano sia unico (e quindi è una cattiva idea partire sulla scena del crimine). Ma per tutta la notorietà del DNA, l'RNA è una molecola più versatile, che si presenta in tre forme principali: RNA messaggero (mRNA), RNA ribosomiale (rRNA) e RNA di trasferimento (tRNA).

Il lavoro dell'mRNA dipende molto sugli altri due tipi, e l'mRNA si trova esattamente al centro del cosiddetto dogma centrale della biologia molecolare (il DNA genera RNA, che a sua volta genera proteine). Acidi nucleici: una panoramica

DNA e RNA sono acidi nucleici, il che significa che sono macromolecole polimeriche, i cui costituenti monomerici sono chiamati nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da tre porzioni distinte: uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata, scelti tra quattro scelte. Uno zucchero pentoso è uno zucchero che include una struttura ad anello a cinque atomi.

Tre differenze principali distinguono il DNA dall'RNA. Innanzitutto, nell'RNA, la porzione di zucchero del nucleotide è ribosio, mentre nel DNA è desossiribosio, che è semplicemente ribosio con un gruppo ossidrilico (-OH) rimosso da uno dei carboni nell'anello a cinque atomi e sostituito da un idrogeno atomo (-H). Quindi la porzione di zucchero del DNA è solo un atomo di ossigeno meno massiccio dell'RNA, ma l'RNA è una molecola molto più reattiva chimicamente del DNA a causa del suo unico gruppo extra-OH. In secondo luogo, il DNA è, piuttosto notoriamente, a doppio filamento e avvolto in una forma elicoidale nella sua forma più stabile. L'RNA, invece, è a filamento singolo. E terzo, mentre il DNA e l'RNA presentano entrambi le basi azotate adenina (A), citosina (C) e guanina (G), la quarta di queste basi nel DNA è la timina (T) mentre nell'RNA è l'uracile (U). >

Poiché il DNA è a doppio filamento, gli scienziati hanno saputo dalla metà del 1900 che queste basi azotate si accoppiano con e solo con un altro tipo di base; A coppie con T e coppie C con G. Inoltre, A e G sono classificate chimicamente come purine, mentre C e T sono chiamate pirimidine. Poiché le purine sono sostanzialmente più grandi delle pirimidine, un accoppiamento A-G sarebbe eccessivamente ingombrante, mentre un accoppiamento C-T sarebbe insolitamente sottodimensionato; entrambe queste situazioni sarebbero dirompenti per i due filamenti nel DNA a doppio filamento essendo la stessa distanza in tutti i punti lungo i due filamenti.

A causa di questo schema di accoppiamento, i due filamenti di DNA sono chiamati "complementari , "e la sequenza di uno può essere prevista se l'altro è noto. Ad esempio, se una stringa di dieci nucleotidi in un filamento di DNA ha la sequenza base AAGCGTATTG, il filamento di DNA complementare avrà la sequenza base TTCGCATAAC. Poiché l'RNA è sintetizzato da un modello di DNA, questo ha implicazioni anche per la trascrizione.
Struttura di base dell'RNA

L'mRNA è la forma più "simile al DNA" dell'acido ribonucleico perché il suo lavoro è sostanzialmente lo stesso: trasmettere le informazioni codificate nei geni, sotto forma di basi azotate attentamente ordinate, al meccanismo cellulare che assembla le proteine. Ma esistono anche vari tipi vitali di RNA.

La struttura tridimensionale del DNA è stata chiarita nel 1953, guadagnando a James Watson e Francis Crick un premio Nobel. Ma per anni dopo, la struttura dell'RNA è rimasta sfuggente nonostante gli sforzi di alcuni degli stessi esperti del DNA per descriverlo. Negli anni '60, divenne chiaro che sebbene l'RNA sia a singolo filamento, la sua struttura secondaria - cioè la relazione della sequenza di nucleotidi tra loro mentre l'RNA si snoda attraverso lo spazio - implica che lunghezze di RNA possono ripiegarsi su se stessi, con basi nello stesso filone che si collegano così tra loro allo stesso modo una lunghezza di nastro isolante potrebbe attaccarsi a se stessa se gli consenti di piegarsi. Questa è la base per la struttura a croce del tRNA, che include tre curve a 180 gradi che creano l'equivalente molecolare dei cul-de-sac nella molecola.

L'RRNA è leggermente diverso. Tutto l'rRNA è derivato da un mostro di un filamento di rRNA lungo circa 13.000 nucleotidi. Dopo una serie di modifiche chimiche, questo filamento viene suddiviso in due subunità disuguali, una chiamata 18S e l'altra etichettata 28S. ("S" sta per "unità di Svedberg", una misura che i biologi usano per stimare indirettamente la massa di macromolecole.) La porzione 18S è incorporata a quella che viene chiamata la piccola subunità ribosomiale (che quando completa è in realtà 30S) e la parte 28S contribuisce alla grande subunità (che in totale ha una dimensione di 50S); tutti i ribosomi contengono una di ciascuna subunità insieme a un certo numero di proteine (non acidi nucleici, che rendono possibili le proteine stesse) per fornire ribosomi con integrità strutturale.

I filamenti di DNA e RNA hanno entrambi quelli che sono chiamati 3 'e 5 '("tre primi" e "cinque primi") termina in base alle posizioni delle molecole attaccate alla porzione di zucchero del filo. In ciascun nucleotide, il gruppo fosfato è attaccato all'atomo di carbonio marcato 5 'nel suo anello, mentre il carbonio 3' presenta un gruppo idrossile (-OH). Quando un nucleotide viene aggiunto a una catena di acido nucleico in crescita, ciò si verifica sempre all'estremità 3 'della catena esistente. Cioè, il gruppo fosfato all'estremità 5 'del nuovo nucleotide viene unito al carbonio 3' caratterizzato dal gruppo idrossile prima che si verifichi questo legame. Il -OH è sostituito dal nucleotide, che perde un protone (H) dal suo gruppo fosfato; quindi una molecola di H _{2O, o acqua, viene persa nell'ambiente in questo processo, facendo della sintesi di RNA un esempio di sintesi di disidratazione.
Trascrizione: codifica del messaggio in mRNA}

La trascrizione è il processo in cui l'mRNA è sintetizzato da un modello di DNA. In linea di principio, dato ciò che ora sai, puoi facilmente immaginare come ciò avvenga. Il DNA è a doppio filamento, quindi ogni filamento può servire da modello per l'RNA a filamento singolo; questi due nuovi filamenti di RNA, a causa dei capricci di specifici accoppiamenti di base, saranno complementari tra loro, non che si legheranno insieme. La trascrizione di RNA è molto simile alla replicazione del DNA in quanto si applicano le stesse regole di associazione di base, con U che sostituisce T in RNA. Si noti che questa sostituzione è un fenomeno unidirezionale: T nel DNA codifica ancora per A nell'RNA, ma A nel DNA codifica per U nell'RNA.

Perché si verifichi la trascrizione, la doppia elica del DNA deve diventare non arrotolata, cosa che fa sotto la direzione di specifici enzimi. (Successivamente riprende la sua corretta conformazione elicoidale.) Dopo ciò, una sequenza specifica chiamata appropriatamente segnali di sequenza del promotore in cui la trascrizione deve iniziare lungo la molecola. Questo evoca sulla scena molecolare un enzima chiamato RNA polimerasi, che a questo punto fa parte di un complesso promotore. Tutto ciò si presenta come una sorta di meccanismo biochimico fail-safe per impedire alla sintesi dell'RNA di iniziare nel punto sbagliato del DNA e quindi produrre un filamento di RNA che contiene un codice illegittimo. L'RNA polimerasi "legge" il filamento di DNA a partire dalla sequenza del promotore e si muove lungo il filamento di DNA, aggiungendo nucleotidi all'estremità 3 'dell'RNA. Essere consapevoli del fatto che i filamenti di RNA e DNA, in quanto complementari, sono anche antiparalleli. Ciò significa che quando l'RNA cresce nella direzione 3 ', si sposta lungo il filamento di DNA all'estremità 5' del DNA. Questo è un punto minore ma spesso confuso per gli studenti, quindi potresti voler consultare un diagramma per assicurarti di comprendere la meccanica della sintesi dell'mRNA.

I legami creati tra i gruppi fosfato di un nucleotide e lo zucchero il gruppo successivo sono chiamati legami fosfodiesterali (pronunciati "phos-pho-die-es-ter", non "phos-pho-dee-ster" come potrebbe essere allettante assumere).

L'enzima RNA la polimerasi si presenta in molte forme, sebbene i batteri includano solo un singolo tipo. È un grande enzima, composto da quattro subunità proteiche: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) e sigma (σ). Combinati, questi hanno un peso molecolare di circa 420.000 Dalton. (Per riferimento, un singolo atomo di carbonio ha un peso molecolare di 12; una singola molecola d'acqua, 18; e un'intera molecola di glucosio, 180.) L'enzima, chiamato oloenzima quando sono presenti tutte e quattro le subunità, è responsabile del riconoscimento del promotore sequenze sul DNA e separando i due filamenti di DNA. L'RNA polimerasi si muove lungo il gene per essere trascritto mentre aggiunge nucleotidi al crescente segmento di RNA, un processo chiamato allungamento. Questo processo, come molti all'interno delle cellule, richiede adenosina trifosfato (ATP) come fonte di energia. L'ATP non è altro che un nucleotide contenente adenina che ha tre fosfati invece di uno.

La trascrizione cessa quando l'RNA polimerasi in movimento incontra una sequenza di terminazione nel DNA. Proprio come la sequenza del promotore può essere vista come l'equivalente di una luce verde su un semaforo, la sequenza di terminazione è l'analogo di una luce rossa o di un segnale di stop.
Traduzione: Decodifica del messaggio da mRNA

Quando una molecola di mRNA che trasporta le informazioni per una particolare proteina - cioè un pezzo di mRNA corrispondente a un gene - è completa, deve ancora essere processata prima di essere pronta a fare il suo lavoro di consegna di un progetto chimico ai ribosomi, dove avviene la sintesi proteica. Negli organismi eucariotici, migra anche fuori dal nucleo (i procarioti non hanno un nucleo).

Criticamente, le basi azotate trasportano informazioni genetiche in gruppi di tre, chiamati codoni di tripletta. Ogni codone contiene istruzioni per aggiungere un particolare aminoacido a una proteina in crescita. Proprio come i nucleotidi sono le unità monomeriche degli acidi nucleici, gli amminoacidi sono i monomeri delle proteine. Poiché l'RNA contiene quattro diversi nucleotidi (a causa delle quattro diverse basi disponibili) e un codone è costituito da tre nucleotidi consecutivi, ci sono 64 codoni di tripletto totali disponibili (4 ^{3 \u003d 64). Cioè, a partire da AAA, AAC, AAG, AAU e lavorando fino a UUU, ci sono 64 combinazioni. Gli umani, tuttavia, usano solo 20 aminoacidi. Di conseguenza, si dice che il codice di tripletto è ridondante: nella maggior parte dei casi, il codice di triplette multiple per lo stesso aminoacido. L'inverso non è vero, cioè la stessa tripletta non può codificare per più di un aminoacido. Probabilmente puoi immaginare il caos biochimico che ne conseguirebbe altrimenti. In effetti, gli aminoacidi leucina, arginina e serina hanno ciascuno sei triplette corrispondenti. Tre codoni diversi sono codoni STOP, simili alle sequenze di terminazione della trascrizione nel DNA.}

La traduzione stessa è un processo altamente cooperativo, che riunisce tutti i membri della famiglia estesa di RNA. Poiché si verifica sui ribosomi, comporta ovviamente l'uso di rRNA. Le molecole di tRNA, descritte in precedenza come minuscole croci, sono responsabili del trasporto di singoli aminoacidi nel sito di traduzione sul ribosoma, con ogni aminoacido trasportato dal proprio marchio specifico di scorta di tRNA. Come la trascrizione, la traduzione ha fasi di iniziazione, allungamento e terminazione e alla fine della sintesi di una molecola proteica, la proteina viene rilasciata dal ribosoma e impacchettata nei corpi del Golgi per essere usata altrove, e il ribosoma stesso si dissocia nelle sue subunità componenti.