I ribozimi sono molecole di RNA che catalizzano reazioni chimiche. La maggior parte dei processi biologici non avviene spontaneamente. Per esempio, la scissione di una molecola in due parti o il collegamento di due molecole in una molecola più grande richiede catalizzatori, cioè molecole di aiuto che fanno andare più veloce una reazione. La maggior parte dei catalizzatori biologici sono proteine chiamate enzimi. Per molti anni gli scienziati hanno supposto che le proteine da sole avessero la complessità strutturale necessaria per servire come catalizzatori specifici nelle cellule, ma intorno al 1980 i gruppi di ricerca di Tom Cech e Sidney Altman hanno scoperto indipendentemente che alcuni catalizzatori biologici sono fatti di RNA. Questi due scienziati sono stati onorati con il premio Nobel per la chimica nel 1989 per la loro scoperta.
Struttura e funzione
I catalizzatori RNA chiamati ribozimi si trovano nel nucleo, nei mitocondri e nei cloroplasti degli organismi eucarioti. Alcuni virus, compresi diversi virus batterici, hanno anche ribozimi. I ribozimi scoperti fino ad oggi possono essere raggruppati in diversi tipi chimici, ma in tutti i casi l’RNA è associato a ioni metallici, come magnesio (Mg2+) o potassio (K+), che svolgono ruoli importanti durante la catalisi. Quasi tutti i ribozimi sono coinvolti nell’elaborazione dell’RNA. Agiscono come forbici molecolari per tagliare le catene di RNA precursori (le catene che formano la base di una nuova catena di RNA) o come “cucitrici molecolari” che legano insieme due molecole di RNA. Anche se la maggior parte dei bersagli dei ribozimi sono RNA, ci sono ora prove molto forti che il collegamento degli aminoacidi nelle proteine, che avviene al ribosoma durante la traduzione, è anche catalizzato da RNA. Così, l’RNA ribosomiale è esso stesso un ribozima.
In alcune reazioni catalizzate dai ribozimi, i processi di scissione e legatura dell’RNA sono collegati. In questo caso, una catena di RNA viene scissa in due punti e il pezzo centrale (chiamato introne) viene scartato, mentre i due pezzi di RNA circostanti (chiamati esoni) vengono legati insieme. Questa reazione è chiamata splicing. Oltre allo splicing mediato dai ribozimi, che coinvolge solo l’RNA, ci sono alcune reazioni di splicing che coinvolgono complessi RNA-proteici. Questi complessi sono chiamati piccole particelle nucleari ribonucleoproteiche, abbreviate come snRNP. Questa classe di splicing è una caratteristica molto comune dell’elaborazione dell’RNA messaggero (mRNA) negli eucarioti “superiori” come l’uomo. Non è ancora noto se lo splicing mediato dalle snRNP sia catalizzato dai componenti dell’RNA. Si noti anche che alcune reazioni di splicing dell’RNA sono catalizzate da enzimi costituiti solo da proteine.
Alcune molecole di RNA precursore hanno un ribozima costruito nel proprio introne, e questo ribozima è responsabile della rimozione dell’introne in cui si trova. Questi sono chiamati RNA autosplicanti. Dopo che la reazione di splicing è completa, l’introne, incluso il ribozima, viene degradato. In questi casi, ogni ribozima funziona solo una volta, a differenza degli enzimi proteici che catalizzano una reazione ripetutamente. Esempi di RNA autosplicati includono gli RNA ribosomiali dei protozoi ciliati e alcuni mRNA dei mitocondri del lievito.
Alcuni virus RNA, come il virus dell’epatite delta, includono anche un ribozima come parte della loro molecola RNA ereditata. Durante la replicazione dell’RNA virale, vengono sintetizzati lunghi filamenti contenenti ripetizioni del genoma RNA (informazioni genetiche virali). Il ribozima poi taglia le lunghe molecole multimeriche in pezzi che contengono una copia del genoma, e inserisce quel pezzo di RNA in una particella di virus.
Altri ribozimi lavorano su altre molecole di RNA. Un ribozima di questo tipo è la RNasi P, che consiste in una catena di RNA e una o più proteine (a seconda dell’organismo). Il meccanismo catalitico della RNasi P è stato studiato particolarmente bene nei batteri. Questo ribozima elabora i precursori dell’RNA di trasferimento (tRNA) rimuovendo un’estensione dall’estremità 5-prime, per creare l’estremità 5-prime del tRNA “maturo” (le due estremità di una molecola di RNA sono chimicamente distinte e sono chiamate estremità 5-prime e 3-prime, in riferimento a specifici carboni nella moiety di zucchero dei nucleotidi terminali). Quando la molecola di RNA della RNasi P batterica viene purificata dalla sua proteina, può ancora scindere il suo precursore tRNA target, anche se ad una velocità molto lenta, dimostrando che l’RNA è il catalizzatore. Tuttavia, la proteina (o le proteine) nella RNasi P ha anche importanti funzioni, come il mantenimento della corretta conformazione della RNasi P RNA e l’interazione con il precursore tRNA.
Relazione di un “mondo RNA”
Molti biologi ipotizzano che i ribozimi siano vestigia di un antico mondo prebiotico che ha preceduto l’evoluzione delle proteine. In questo “mondo RNA”, gli RNA erano i catalizzatori di funzioni come la replicazione, la scissione e la legatura delle molecole di RNA. Si ipotizza che le proteine si siano evolute più tardi e che, evolvendosi, abbiano assunto le funzioni precedentemente svolte dalle molecole di RNA. Questo potrebbe essere accaduto perché le proteine sono più versatili ed efficienti nelle loro funzioni catalitiche.
Nel mondo di oggi, la maggior parte dell’elaborazione dei precursori di tRNA viene eseguita dal ribozima RNasi P, come descritto sopra, ma in alcuni cloroplasti, questa funzione viene eseguita da una proteina che apparentemente non contiene RNA. Questo potrebbe essere un esempio dell’evoluzione di enzimi proteici che sostituiscono i ribozimi.
Studi approfonditi sui ribozimi hanno fornito delle regole su come essi riconoscono i loro bersagli. Sulla base di queste regole, è stato possibile alterare i ribozimi per riconoscere e tagliare nuovi bersagli nelle molecole di RNA che normalmente non sono soggette alla scissione dei ribozimi. Questi risultati sollevano l’eccitante possibilità di usare i ribozimi per la terapia umana. Per esempio, l’abbondanza di molecole di RNA che causano malattie come l’HIV, la causa dell’AIDS, potrebbe essere ridotta con ribozimi artificiali. Un notevole successo è stato raggiunto nel testare questi ribozimi in cellule modello. Tuttavia, la più grande questione che rimane da risolvere è come questi potenziali ribozimi “che combattono la malattia” possano essere introdotti in un paziente e assorbiti dalle cellule appropriate.
vedi anche Evoluzione, Molecolare; Proteine; RNA; Elaborazione dell’RNA.
Lasse Lindahl
Bibliografia
Cech, T. R. “RNA come enzima.” Scientific American 255 (1986): 64-75.
Karp, Gerald. Cell and Molecular Biology, 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2002.