RNA polymerase
Enzima che sintetizza RNA a partire da uno stampo di DNA.
L'RNA polimerasi (RNAP o RNApol), nota anche come RNA polimerasi DNA-dipendente (DdRP), è un enzima che catalizza la sintesi di RNA a partire da un filamento stampo di DNA. È essenziale per la vita, presente in tutti gli organismi viventi e in molti virus, ed è responsabile della trascrizione, il processo di copiatura del DNA in RNA. L'enzima agisce aprendo localmente il DNA a doppio filamento, utilizzando un filamento come stampo per produrre una catena di RNA complementare.
Questo svolgimento è favorito dall'elicasi, ma a differenza della DNA polimerasi, l'RNAP possiede una propria attività elicasica e non necessita di un enzima separato per questo passaggio. Prima che la trascrizione possa iniziare, un fattore di trascrizione e il suo complesso mediatore associato devono prima legarsi a una specifica sequenza di DNA chiamata regione promotrice; solo allora l'RNAP può iniziare lo svolgimento. Durante la trascrizione, l'RNAP non solo avvia la sintesi dell'RNA, ma guida anche i nucleotidi in arrivo nella posizione corretta, facilita il loro attacco e allungamento, e possiede capacità intrinseche di correzione di bozze e sostituzione, nonché la capacità di riconoscere le sequenze di terminazione.
I prodotti dell'RNAP includono l'RNA messaggero (mRNA), che funge da stampo per la sintesi proteica; l'RNA transfer (tRNA), che trasporta gli amminoacidi ai ribosomi; l'RNA ribosomiale (rRNA), un componente strutturale dei ribosomi; il micro RNA (miRNA), che regola l'attività genica; e l'RNA catalitico (ribozima), che funge da molecola enzimaticamente attiva. L'RNAP è presente in tutti i domini della vita. Batteri e archaea possiedono una singola RNA polimerasi, mentre gli eucarioti hanno molteplici tipi nucleari, ciascuno responsabile di un sottoinsieme distinto di RNA.
La struttura centrale dell'RNAP batterica, come osservata in E. coli, è composta da cinque subunità (due alfa, una beta, una beta prima e una omega), con un fattore sigma che si lega per formare l'oloenzima che avvia la trascrizione. Le RNA polimerasi eucariotiche e archeali condividono una struttura centrale e un meccanismo simili, ma hanno subunità aggiuntive. Tutte le RNA polimerasi contengono cofattori metallici, in particolare cationi di zinco e magnesio, che assistono nella trascrizione.
L'attività dell'RNAP è altamente regolata; nel solo E. coli, oltre cento fattori di trascrizione possono modificarne la funzione. L'RNAP avvia preferenzialmente i trascritti con ATP, seguito da GTP, UTP e quindi CTP.
Quick Facts
- CAS number
- 9014-24-8
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Architettura dell'Enzima Centrale
L'architettura fisica dell'RNA polimerasi è uno dei progetti più eleganti della biologia molecolare. Nel ben studiato batterio E. coli, l'enzima centrale si assembla da cinque subunità distinte: una coppia di subunità alfa di 36 kilodalton ciascuna, una subunità beta del peso di 150 kilodalton, una subunità beta prima di 155 kilodalton e una piccola subunità omega. Insieme, questi componenti si ripiegano in quella che i ricercatori descrivono come una configurazione a "chela di granchio" o "mascella a morsa", con un canale interno continuo che percorre l'intera lunghezza della struttura.
Questo canale è il punto in cui lo stampo di DNA passa durante la trascrizione. L'enzima dipende anche da cofattori metallici, in particolare cationi di zinco e magnesio, che partecipano direttamente alla chimica dell'aggiunta di nucleotidi. Un fattore sigma si aggancia a questo nucleo per formare l'oloenzima completo, guidandolo alla corretta posizione di partenza sul DNA. Una volta che la trascrizione è in corso, il fattore sigma si stacca e il nucleo nudo prosegue l'allungamento in modo indipendente.
Le versioni eucariotiche e archeali condividono questa architettura centrale fondamentale, ma aggiungono numerose subunità extra, rendendole macchine considerevolmente più grandi e complesse.
Dall'Inizio alla Terminazione
Il percorso di un singolo evento di trascrizione si svolge in una sequenza strettamente coreografata. Nei batteri, il fattore sigma riconosce per primo elementi promotori conservati, le cosiddette sequenze −35 e −10, posizionate a monte del gene da copiare. In alcuni promotori, il dominio C-terminale della subunità alfa si impegna anche con elementi di DNA aggiuntivi a monte. Una volta che l'enzima si aggancia, passa da un complesso chiuso a un complesso aperto, un cambiamento conformazionale che separa i due filamenti di DNA ed espone lo stampo.
L'RNA polimerasi esegue questo svolgimento da sola, incorporando l'attività elicasica direttamente nella sua struttura, quindi non è richiesto un enzima di svolgimento separato. L'allungamento procede quindi mentre l'enzima guida i nucleotidi in arrivo nella posizione corretta, catalizza il loro attacco e allunga la catena di RNA in crescita. Negli eucarioti, queste catene possono estendersi fino a sorprendenti 2,4 milioni di nucleotidi, come osservato nel gene della distrofina.
L'enzima possiede anche funzioni di correzione di bozze e sostituzione integrate, correggendo gli errori di appaiamento mentre procede. Infine, riconosce le sequenze di terminazione alla fine dei geni e rilascia il trascritto completato.
Un Kit di Strumenti di Prodotti di RNA
Una delle capacità più notevoli dell'RNA polimerasi è l'ampiezza delle specie di RNA che genera, ciascuna con uno scopo fondamentalmente diverso nella cellula. L'RNA messaggero funge da copia diretta del filamento codificante di un gene e viene successivamente tradotto in una catena polipeptidica al ribosoma. L'RNA transfer agisce come una navetta molecolare, consegnando amminoacidi specifici alla catena in crescita durante la traduzione. L'RNA ribosomiale diventa un componente strutturale e funzionale del ribosoma stesso.
Il micro RNA opera a livello regolatorio, ottimizzando l'attività genica. L'RNA catalitico, o ribozima, funge da molecola enzimaticamente attiva di per sé. Oltre a queste classi ben note, la scoperta dei meccanismi di silenziamento dell'RNA e un'ondata di nuovi geni di RNA non codificante identificati dalla fine degli anni '90 hanno rivelato che i ruoli dell'RNA nella cellula sono molto più estesi di quanto si pensasse in precedenza. Nei batteri e negli archaea, una singola specie di RNA polimerasi gestisce tutti questi prodotti.
Negli eucarioti, il compito è suddiviso tra molteplici polimerasi nucleari specializzate, ciascuna dedicata a un sottoinsieme distinto di prodotti di RNA.
Lignaggi Evolutivi e Complessità Regolatoria
L'RNA polimerasi è presente in ogni organismo vivente e in molti virus, ma si è evoluta lungo due lignaggi fondamentalmente indipendenti. La forma multi-subunità, condivisa da batteri, archaea ed eucarioti, mantiene una struttura centrale e un meccanismo riconoscibili in tutti e tre i domini della vita. La forma a subunità singola, incontrata nei virus batteriofagi e nei cloroplasti e mitocondri delle cellule eucariotiche, è evolutivamente correlata alle moderne DNA polimerasi piuttosto che all'enzima multi-subunità.
Batteri e archaea si affidano ciascuno a una singola RNA polimerasi per trascrivere ogni tipo di RNA, mentre gli eucarioti impiegano diverse polimerasi nucleari distinte, ciascuna con un portfolio di RNA specializzato. La regolazione dell'enzima è straordinariamente intricata. Nel solo E. coli, sono stati identificati più di cento fattori di trascrizione che ne modulano l'attività, e molteplici fattori sigma intercambiabili, come σ70 per i geni housekeeping e σ32 per le risposte da shock termico, consentono alla cellula di cambiare programmi trascrizionali in risposta a segnali ambientali.
Nel 2006, Roger D. Kornberg ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica per aver prodotto immagini molecolari dettagliate dell'RNA polimerasi in varie fasi della trascrizione, consolidando la nostra comprensione strutturale di questo enzima universale.
Domande frequenti
Per cosa è nota l'RNA polimerasi?
La sua capacità principale è la trascrizione: si muove lungo un filamento di DNA e cuce insieme una nuova catena di RNA nucleotide per nucleotide. In questo modo produce l'intera gamma di specie di RNA: RNA messaggero, RNA transfer, RNA ribosomiale, microRNA e RNA catalitici.
Dove si colloca l'RNA polimerasi?
Occupata il passaggio cruciale del percorso del dogma centrale, collegando il genoma del DNA e gli intermedi di RNA che le cellule usano ogni giorno. Nel modulo di Biologia Cellulare e Molecolare 25-36 è la figura centrale attorno alla quale è costruita l'intera storia della trascrizione.
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