Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

RNA Transfer


Molecola del Mese di Marzo 2001

RNA Transfer
Da quando è stato scoperto il processo di sintesi delle proteine diretto dal DNA, scienziati e filosofi hanno cercato, più o meno seriamente, una relazione tra le triplette di acidi nucleici, i codoni, e la natura chimica degli amminoacidi. Questi tentativi sono stati tutti infruttuosi, ma il tema continua occasionalmente a stimolare riflessioni per le possibili implicazioni con l'origine della vita.
In realtà, non sembra che ci sia una relazione specifica tra i codoni e gli amminoacidi in quanto tali. Invece, la corrispondenza è realizzata dal transfer RNA (tRNA), una specie di Stele di Rosetta della biochimica, che traduce il linguaggio di nucleotidi dell'RNA messaggero (copiato dal DNA) nel linguaggio di amminoacidi delle proteine. Questa traduzione è fisica e diretta: a un capo di ogni tRNA c'è un anticodone che riconosce il codone del codice genetico, all'altro capo si trova legato il giusto amminoacido corrispondente a quel codice.

Alta Fedeltà
Errori nella sintesi delle proteine possono accadere ad entrambi i capi del tRNA. All'estremità 3' del tRNA deve essere legato il giusto amminoacido, pronto per essere aggiunto alla catena della proteina in crescita. Un gruppo di enzimi, chiamati amminoacil tRNA sintasi è responsabile di questa operazione. Questi enzimi mediamente commettono un errore ogni diecimila molecole di tRNA a cui hanno legato un amminoacido. Esamineremo più attentamente questi affascinanti enzimi nella prossima rubrica della Molecola del Mese.
Possono avvenire errori anche all'altra estremità del tRNA, quando l'anticodone si deve accoppiare con il suo codone. Per esempio può accadere semplicemente che l'anticodone si accoppi in modo errato, questo succede circa una volta su cinquecento. Oppure, dato che ogni codone è lungo tre nucleotidi, l'anticodone si può accoppiare in una posizione sfasata, invece di sovrapporsi alla giusta tripletta. Questo porterà errori in tutta la parte restante della proteina, perchè tutti i successivi tRNA si allineeranno in posizione sfasata in conseguenza del primo spostamento. Fortunatamente, quando le sequenze genetiche vengono lette in modo sfasato, si possono formare facilmente codoni di STOP, così la sintesi della proteina sarà interrotta dopo che saranno state aggiunte poche decine di amminoacidi in più.

Ricavare il massimo dagli errori
L'evoluzione biologica è straordinaria nella sua abilità di trarre profitto anche dai difetti. Se c'è un modo per trasformare un problema in un vantaggio, sicuramente il processo di selezione naturale lo troverà. Gli errori nella sintesi delle proteine non fanno eccezione. Tutti e due gli errori di accoppiamento quello codone-anticodone e quello di sfasamento di lettura hanno un particolare ruolo funzionale in certi organismi.
Spesso, vengono usati codoni diversi come segnali di INIZIO. Questi codoni possono essere GUG, UUG, o AUU, ma tutti usano lo stesso tRNA, quello della metionina che normalmente riconosce il codone AUG. Per poter sintetizzare queste proteine, il tRNA della metionina si deve appaiare con questi codoni erronei.
Lo sfasamento della lettura è essenziale per il ciclo di vita del virus HIV. Quando sintetizzano la lunga poliproteina che contiene tutte le proteine che si trovano nel virus, i ribosomi fanno un errore di accoppiamento nel 5% dei casi, allineando in modo errato un tRNA e provocando uno sfasamento della lettura. Questo impedisce al ribosoma di incontrare il normale codone di STOP e così viene prodotta una proteina molto più lunga. Questi errori occasionali sono fondamentali per la vita del virus HIV, perché le proteine più lunghe contengono gli enzimi che trascrivono il genoma virale.

Struttura dell'RNA Transfer
Le molecole di RNA transfer sono composte da una corta catena di RNA, lunga 70-90 nucleotidi, piegata a forma di trifoglio. Qui a fianco sono mostrate due molecole diverse, fenilalanina tRNA (codice PDB 4tna) ed aspartato tRNA (codice PDB 2tra). L'estremità 3' delle catene di RNA si trova nella parte alta della figura dove le strutture si fanno più sottili. Qui, indicato dalle frecce, si trova l'amminoacido legato all'OH in posizione 3' sul nucleotide terminale. Il centro della catena forma la porzione arrotondata in basso, qui affiorano i tre nucleotidi che formano l'anticodone. Gli altri due lobi del trifoglio sono intrecciati insieme nella zona a gomito e danno una struttura definita a tutta la molecola. Le quattro basi azotate dell'RNA (adenina, uracile, guanina e citosina) non riescono da sole a dare una struttura robusta alla molecola anche perché molte hanno una struttura modificata. Per vedere due esempi particolarmente strani di basi modificate, osservate la base numero 37, quella vicina all'anticodone, nel metionina tRNA (quello che dà inizio alla sintesi, codice PDB 1yfg) o nel fenilalanina tRNA (codici PDB 4tna e 6tna).














Esplorando la Struttura
Naturalmente, la prima cosa che esaminiamo nella struttura del tRNA è l'anticodone. Nella figura qui in alto a sinistra si può vedere un aspartato tRNA (codice PDB 2tra). Quando è stato fatto cristallizzare per sottoporlo all'analisi ai raggi x, questo tRNA ha formato un dimero nel quale gli anticodoni delle due molecole si sono legati insieme. Il segmento dalla seconda molecola, mostrato nella parte bassa della figura (con i carboni colorati in verde), ci può dare un'idea di come il codone dell'RNA messaggero si legherebbe all'anticodone del tRNA. L'anticodone in questa struttura è composto da guanina 34, uracile 35, e citosina 36.
La figura qui sopra sulla destra mostra il fenilalanina tRNA (codice PDB 4tna) nel quale si può osservare una strana interazione che coinvolge tre basi. La citosina e la guanina formano un normale paio di basi, proprio come nel DNA, ma una seconda guanina, modificata con un gruppo metilico (sfera bianca), forma un'insolita interazione legandosi lateralmente al paio di basi.

Queste figure sono state realizzate con Chime. Anche voi potete creare immagini simili cliccando sui codici di accesso PDB, e scegliendo una delle opzioni nel menù "View Structure".

Bibliografia
John G. Arnez and Dino Moras (1999) Transfer RNA. In "Oxford Handbook of Nucleic Acid Structure" (Stephen Neidle, Editor) Oxford University Press. Pages 603-651.
Alexander Rich and Sung Hou Kim (1978) The Three-dimensional Structure of Transfer RNA. Scientific American 238 (No. 1), 52-62.
Jack Parker (1989) Errors and Alternatives in Reading the Universal Genetic Code. Microbiological Reviews 53, 273-298.