La traduzione dell'RNA messaggero

Il processo di traduzione dell'mRNA consiste nella decifrazione del codice genetico e quindi nel tradurre il linguaggio dei codoni con la concatenazione degli amminoacidi ed è, quindi, il cuore della sintesi proteica.

• La traduzione porta, al termine, la formazione di un polipeptide. Essa avviene nei ribosomi; questi ultimi sono spesso situati sul reticolo endoplasmatico rugoso, ma alcuni si trovano sparsi nel citosol (ribosomi liberi) e sintetizzano solo certe proteine. Anche il processo di traduzione si compone, come la trascrizione, di tre fasi successive:

1. La fase di inizio consiste nell'aggancio all'mRNA da parte della subunità minore del ribosoma all'estremità 5' e del corretto tRNA al primo codone: quest'ultimo corrisponderà sempre alla tripletta AUG perciò il primo tRNA porterà sempre l'amminoacido "metionina" e si chiama tRNA iniziatore (complesso d'inizio); successivamente, la subunità maggiore del ribosoma si attacca sopra al complesso d'inizio, col tRNA iniziatore occupante il sito P.
2. Si procede alla fase di allungamento, quando continua la decifrazione dell'mRNA. Ora, un altro tRNA (codificante il secondo codone) si posiziona nel sito A. A questo punto, interviene la peptidil-transferasi, un'enzima presente nella subunità maggiore del ribosoma (catalizzato dall'rRNA) che permette il legame peptidico tra l'amminoacido del tRNA nel sito P e l'amminoacido di quello nel sito A. Solo ora, il ribosoma scorre di un codone: quindi, il tRNA iniziatore si trova nel sito E dove viene liberato, il sito P è ora occupato dal tRNA prima posizionato nel sito A mentre a quest'ultimo si aggancia un nuovo tRNA corrispondente al nuovo codone. Il processo si ripete.
3. Quando nel sito A arriva un codone di arresto, inizia la fase di terminazione: dato che non esistono tRNA corrispondenti alle triplette di stop, si inserisce al suo posto una proteina detta fattore di rilascio che simula l'azione del tRNA (mimetismo molecolare). Essa libera il tRNA, il polipeptide frutto della traduzione e le subunità ribosomiali.

• A questo punto, come si conclude la sintesi proteica? E cosa ne è stato degli RNA?

1. L'mRNA è ancora nel citosol: la traduzione non lo destabilizza e può essere tradotto continuamente. L'mRNA, dopo un certo lasso di tempo, si degraderà nei nucleotidi suoi componenti.
2. Il ribosoma si trova separato nelle sue 2 subunità in attesa di un altro filamento di RNA messaggero da tradurre; rimane nel citosol se si tratta di un ribosoma libero, altrimenti giace in prossimità del reticolo endoplasmatico rugoso.
3. I tRNA tornano attivi grazie ad un continuo processo di amminoacilazione.
4. Il polipeptide è già funzionale se tradotto da ribosomi liberi perchè questi ultimi si occupano solo di proteine mitocondriali, nucleari o cloroplastiche. In caso contrario, è indirizzato all'apparato del Golgi dove subirà gli adattamenti di forma necessari per diventare definitivamente una proteina funzionale; poi sarà chiuso in una vescicola e inviato in specifiche aree (cellulari o extracellulari).

Fotografia al microscopio elettronico dell'apparato del Golgi

RNA ribosomiale e RNA transfer

La sintesi proteica avviene nel citoplasma ed è proprio qui che sono presenti gli altri due tipi di RNA necessari per compierla. L'mRNA, una volta nel citoplasma, potrà iniziare il processo anabolico perchè è riconosciuto maturo (grazie al "cappuccio" di 7-metilguanosina e alla coda poli-A) dai suoi "compari": l'rRNA e il tRNA. Questi due tipi di RNA, a differenza dell'RNA messaggero, sono trascritte direttamente da specifici geni.

• Il rRNA, ossia l'RNA ribosomiale, costituisce per circa 2\3 gli omonimi organuli (delle proteine compongono il restante 1\3); esso è trascritto a partire da geni nel nucleolo dal complesso di enzimi nota come RNA polimerasi I. Il ribosoma è un organulo che solitamente giace sul reticolo endoplasmatico rugoso (cellule eucarioti), è il luogo specifico dove avviene la sintesi delle proteine ed è un complesso formato da due subunità, dette subunità minore e subunità maggiore.

• La subunità minore è quella inferiore, più piccola ed è il sito di legame per l'mRNA. La subunità maggiore, invece, è quella superiore, più grande e possiede tre siti di legame per gli tRNA: trattasi del sito A, del sito P e del sito E.

• Il tRNA, alias RNA transfer o RNA di trasporto, sono delle molecole relativamente piccole composte da nucleotidi e svolgono il ruolo dei traduttori del codice genetico; esso è trascritto a partire da specifici geni per mezzo del complesso di enzimi detto RNA polimerasi III. Esiste almeno un tipo di tRNA per ogni diverso tipo di amminoacido, con un totale di oltre 20 diversi tipi di tRNA ma meno di 61, perchè uno stesso tRNA può codificare per una parte (o l'intero) codice degenerato.

• Tra le caratteristiche comuni a tutti i tipi di tRNA troviamo:

1. L'estremità 5' di tutti i tRNA è un sito di aggancio costituito da una sequenza variabile di 7 nucleotidi per un deossiribonucleotide trifosfato (solitamente GTP, guanosintrifosfato).
2. Un altro sito di attacco, detto braccio dell'anticodone, è costituito da una sequenza di tre nucleotidi che formano un anticodone, ossia la sequenza complementare ad un codone dell'mRNA.
3. L'estremità 3' di tutti i tRNA termina con la cosiddetta coda CCA, un sito di legame con uno specifico tipo di amminoacido (quello corrispondente al codone individuato).
4. Un ulteriore sito comune è quello di riconoscimento per un enzima che permette il corretto legame tra un amminoacido alla corrispondente molecola di tRNA (amminoacilazione), denominato amminoacil-tRNA sintetasi: esistono almeno uno o più diversi tipi di questi enzimi per ogni amminoacidi, con un totale di almeno più di 20 differenti amminoacil-tRNA sintetasi.

Il processo di amminoacilazione per mezzo della amminoacil-tRNA sintetasi

Il codice genetico

Nonostante le numerose nozioni acquisite su DNA e RNA, rimane il mistero su come le informazioni nel DNA siano in grado di arrivare a produrre proteine. Sono come delle informazioni criptate che hanno bisogno di essere decifrate: il segreto dev'essere contenuto nelle sequenze nucleotidiche che, effettivamente, costituiscono il codice genetico.

• Ora, sappiamo che gli amminoacidi prodotti sono 20, mentre sono solo 4 i diversi tipi di nucleotidi presenti nel DNA. Seguiamo un ragionamento:
• Se fosse solo un nucleotide a codificare un tipo di amminoacido, sarebbero possibili solo 4 diverse combinazioni tra i nucleotidi, ossia solamente 4 diversi tipi di amminoacidi: insufficienti per codificare i 20 amminoacidi.
• Allo stesso modo, se fossero solo due nucleotidi a codificare un tipo di amminoacido, sarebbero possibili 16 diverse combinazioni tra i nucleotidi (4 alla seconda), ossia 16 diversi tipi di amminoacidi: non bastano ancora.
• Invece, se fossero tre nucleotidi a codificare un tipo di amminoacido, sarebbero possibili ben 64 possibili diverse combinazioni tra i nucleotidi (4 alla terza), che codificherebbero, teoricamente, 64 diversi tipi di amminoacidi, un numero più che sufficiente.
• Infatti, è stato confermato il fatto che ogni combinazione è formata da una sequenza di tre nucleotidi: queste triplette prendono il nome di codoni. 

• Quindi, ad ogni codone corrisponde un certo tipo di amminoacido ma ogni amminoacido non è necessariamente codificato da un solo codone; anzi, il più delle volte ad un singolo amminoacido sono associati diversi codoni (oscillanti tra i due della fenilalanina ai sei della leucina).
• Inoltre, ad alcuni amminoacidi corrispondono più codoni che però differiscono solo per il terzo nucleotide: è come se quell'amminoacido fosse determinato solamente dalle prime due sequenze, in questo caso il codice si definisce degenerato.
• Le triplette effettivamente codificanti un amminoacido sono 61 su 64: le altre 3 rimanenti combinazioni sono dette sequenze di arresto proprio perchè non codificano alcun amminoacido.
• Ricerche ulteriori hanno portato a conclusioni sorprendenti:

1. Il codice genetico, salvo rare eccezioni, è identico in tutti gli esseri viventi: per portare un esempio, significa che il codone GGC identifica l'amminoacido "glicina" nell'uomo come negli animali, nelle piante, nei funghi, nei protisti e nei procarioti!
2. Tra le rare eccezioni spicca il DNA mitocondriale, peculiare e indipendente da quello nucleare che contiene informazioni per fabbricare alcune proteine apposite (mitocondriali).

Analisi mitocondriale per mezzo di microscopio elettronico

L'elaborazione del RNA messaggero

Nonostante il processo di trascrizione traduca correttamente le sequenze dei geni codificanti per le proteine, quando l'mRNA giungerà nel citosol (l'mRNA maturo) per attuare i processi di sintesi proteica non sarà perfettamente corrispondente al trascritto (il pre-mRNA), bensì più corte.

• Nel gene, sono presenti sequenze nucleotidiche non codificanti, e quindi non tradotte, che si chiamano introni: il numero di introni può variare considerevolmente a seconda dei geni. Ancora non si sa se gli introni siano comparsi successivamente oppure siano esistiti sin dalle prime cellule: se così fosse, si pensa che i microrganismi con alto tasso di riproduzione li abbiano come eliminati col tempo, spiegando così perchè il DNA procariote è meno complesso e impiegato quasi totalmente.
• Le sequenze componenti l'mRNA maturo sono solo quelle effettivamente codificanti le proteine e sono dette esoni. La "maturazione" dell'mRNA avviene tramite un processo denominato splicing.

Risultato dell'attività di splicing, ossia la "maturazione" dell'mRNA

• Prima dello splicing, il pre-mRNA subisce dei trattamenti:

1. Solitamente, durante la trascrizione, il pre-mRNA subisce un trattamento di capping: in pratica viene aggiunto un particolare nucleotide (chiamato 7-metilguanosina) all'estremità 5' che appare come un cappuccio ma che permetterà successivamente alla molecola di uscire dal nucleo della cellula e "attaccarsi" ad un ribosoma.
2. Dopodichè, il pre-mRNA viene reso più stabile per poter resistere più a lungo nel citoplasma mediante il processo di poliadenilazione: consiste nell'aggiunta di una lunga sequenza di nucleotidi contenenti solamente adenina come base azotata all'estremità 3', la cosiddetta coda poli-A.

Il pre-mRNA "trattato" 

• A questo punto avviene il processo di splicing, che consiste principalmente nel separare gli introni e ricongiungere gli esoni, ottenendo come risultato l'mRNA maturo: l'operazione può sembrare un semplice "taglia & cuci" ma deve essere (e lo è) perfettamente precisa per non recare conseguenze devastanti nella cellula, oltre ad essere tutt'altro che banale.
• Tale operazione è compiuta da un grande complesso molecolare delle cosiddette snRNP (piccole riboproteine nucleari) che prende il nome di spliceosoma.

• Esiste anche lo splicing alternativo, ossia attuare diverse modalità di maturazione del pre-mRNA con risultati differenti: in pratica, i pre-mRNA soggetti a splicing alternativo codificano due o più proteine.

La trascrizione dell'RNA messaggero

L'RNA messaggero (mRNA) è una molecola di RNA che viene assemblata sulla base di uno dei due filamenti di DNA: esso risulterà quindi una molecola di RNA complementare al contenuto.

• Il processo mediante il quale si ottiene questa molecola è chiamato trascrizione. L'mRNA ottenuto si chiamerà trascritto e sarà soggetto a successive elaborazioni. La trascrizione dell'mRNA è relativamente semplice e non richiede tutti quei processi ed enzimi caratterizzanti la duplicazione del DNA; si compone principalmente di 3 fasi successive:

1. Durante la fase di inizio, una serie di enzimi nota come RNA polimerasi II riconosce una particolare sequenza nucleotidica di DNA che svolge un ruolo di riconoscimento (promotore); i filamenti di DNA sono poi separati a formare un complesso aperto lungo circa una dozzina di basi azotate. A volte, soprattutto nei batteri, il ruolo di riconoscimento del promotore è assegnato ad una proteina chiamata fattore sigma alla quale si unisce la RNA polimerasi II.
2. La fase di allungamento vede la RNA polimerasi II procedere per il filamento stampo di DNA (separando i filamenti da trascrivere) in direzione 5'-3' sintetizzando la molecola di mRNA complementare (quindi identica al filamento non trascritto con l'uracile al posto della timina); nel frattempo, i filamenti di DNA già trattati si riappaiano.
3. Nella fase di terminazione si conclude il processo: il trascritto è stato sintetizzato (correttamente, si spera), la RNA polimerasi II blocca il procedimento perchè riconosce altre sequenze nucleotidiche particolari (sequenze d'arrivo) ed entrambi si staccano dalla molecola di DNA.