Il trasporto attivo richiede energia per trasferire un soluto contro gradiente
Definizione
Il cosiddetto dogma centrale, secondo cui l’informazione scorre da DNA a RNA fino alle proteine, pone una questione di circolarità funzionale: se gli acidi nucleici sono indispensabili per guidare la sintesi proteica e, al contempo, le proteine catalizzano la produzione degli acidi nucleici, come si è instaurata tale interdipendenza? Una risposta coerente con dati chimici e biochimici è l’ipotesi del “mondo a RNA”, secondo la quale, in una fase primordiale, l’RNA avrebbe svolto contemporaneamente il ruolo di archivio dell’informazione genetica e di catalizzatore delle reazioni chiave, prima che emergessero sistemi cellulari in cui DNA e proteine si spartissero stabilmente queste funzioni (Figura 03.07-01). Le cellule moderne conservano tracce di quell’assetto: lo splicing catalizzato da RNA, la funzione catalitica dell’rRNA nel ribosoma e diversi ribozimi ne sono esempi di “fossili molecolari”.
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Qualunque transizione dalla chimica prebiotica a sistemi viventi richiede molecole in grado di sostenere cicli di produzione che conducano, direttamente o tramite reti, alla loro stessa ricostituzione. Un catalizzatore dotato di capacità di autoamplificazione, comparso per fluttuazione stocastica, potrebbe accrescere la propria concentrazione consumando precursori disponibili, instaurando una dinamica competitiva tra insiemi chimici. In forma minimale, la crescita di un replicatore X può essere schematizzata come \( \frac{dX}{dt} = kX - \delta X \), dove k è il tasso di produzione catalitica e \(\delta\) il tasso effettivo di perdita; la persistenza richiede \(k > \delta\). Un tale sistema, alimentato da risorse ambientali, mostrerebbe proprietà tipiche dei sistemi viventi: non casualità composizionale, capacità di autoriproduzione, competizione per i substrati e, in assenza di alimentazione o fuori da un intervallo termico idoneo, decadimento verso l’equilibrio.
Quali molecole soddisfano più verosimilmente questo criterio? Nelle cellule attuali gli enzimi proteici sono catalizzatori estremamente versatili, ma non esistono proteine in grado di replicarsi per appaiamento di stampo. Gli acidi nucleici, invece, grazie all’appaiamento complementare, possiedono intrinsecamente un meccanismo di copia. Tra essi, l’RNA unisce potenziale informazionale e proprietà catalitiche, rendendolo candidato naturale per l’innesco di reti autocatalitiche. In scenari plausibili, l’autocatalisi avrebbe beneficiato di microambienti e superfici minerali, oltre che di compartimentazione protocellulare, fattori che riducono la diluizione, favoriscono la selezione e limitano l’interferenza tra reti concorrenti:
- disponibilità di monomeri e fonti energetiche per attivarli;
- meccanismi di catalisi che accelerino la polimerizzazione selettiva;
- compartimentazione, anche rudimentale, per conferire identità e ereditabilità ai sistemi;
- selezione differenziale basata su fedeltà, velocità e robustezza delle reti autocatalitiche.
L’appaiamento di basi complementari consente a un acido nucleico di fungere da stampo per la sintesi del complementare: un singolo filamento di RNA o DNA specifica la sequenza del filamento appaiato, che a sua volta può determinare la sequenza del primo, abilitando cicli di copia basati su complementarità (Figura 03.07-02). Nelle cellule odierne, tuttavia, la polimerizzazione efficiente dei nucleotidi richiede catalisi enzimatica; senza catalizzatori, l’assemblaggio è lento, poco accurato e termodinamicamente sfavorito. Qui si innesta la scoperta cruciale del 1982: specifiche molecole di RNA possiedono attività catalitica, cioè funzionano come enzimi, i ribozimi.
L’RNA viene trascritto come filamento singolo e, grazie ad appaiamenti intramolecolari e a interazioni non canoniche, acquisisce strutture secondarie e terziarie definite dalla sequenza. Tali strutture generano microambienti attivi, analoghi ai siti attivi proteici, capaci di stabilizzare stati di transizione e orientare gruppi funzionali (Figura 03.07-03). Sebbene la “chimica” disponibile all’RNA, basata su soli quattro nucleotidi, sia meno varia di quella proteica, i ribozimi svolgono funzioni decisive nell’espressione genica: taglio e giunzione di RNA, maturazione di tRNA, e catalisi del legame peptidico nel ribosoma. In laboratorio sono stati ottenuti ribozimi con attività ulteriori, inclusa la ligasi e, in alcune varianti, la sintesi estesa di RNA su stampo, selezionati per efficienza e fedeltà (Tabella 03.07-01).
Queste osservazioni indicano che l’RNA riunisce i requisiti minimi per cicli di replicazione catalitica, almeno in principio (Figura03.07-04). Restano sfide quantitative legate alla fedeltà: la probabilità di copia corretta di una sequenza di lunghezza \(L\) è approssimativamente \(Q = (1 - \epsilon)^L\), con \(\epsilon\) tasso d’errore per nucleotide; oltre una soglia, l’informazione genetica non si mantiene. La selezione in compartimenti e l’evoluzione di ribozimi polimerasi più accurati potrebbero superare tale vincolo. Anche se sistemi completamente autoreplicanti a RNA non sono stati identificati in natura, la loro ricostruzione sperimentale è ritenuta raggiungibile e rafforzerebbe la plausibilità dello scenario.
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| Tipo di reazione catalizzata | Esempi di ribozimi coinvolti |
|---|---|
| Sintesi del legame peptidico durante la traduzione | rRNA del ribosoma |
| Rimozione di introni e maturazione dell’RNA | snRNA e RNA con capacità di auto-splicing |
| Assemblaggio di frammenti di DNA o RNA | Ribozimi selezionati sperimentalmente in vitro |
| Estensione di catene di RNA | Ribozimi sintetici con attività polimerasica |
| Trasferimento di gruppi fosfato su RNA | Ribozimi artificiali ottenuti in laboratorio |
| Aggancio di amminoacidi a molecole di RNA | Ribozimi sperimentali che mimano attività aminoacil-tRNA sintetasi |
| Aggiunta di gruppi alchilici a RNA | Ribozimi progettati in vitro |
| Isomerizzazione e riorganizzazione di legami carbonio-carbonio | Ribozimi artificiali con attività di rotazione di legami |
Attività biochimiche mediate da ribozimi
Alcuni RNA mostrano proprietà catalitiche comparabili a quelle degli enzimi proteici. I ribozimi possono intervenire in diversi processi cellulari, dalla traduzione allo splicing, fino a modificazioni chimiche più complesse. Gli esperimenti di selezione in vitro hanno inoltre permesso di generare molecole di RNA con attività catalitiche non osservate in natura, ampliando le potenzialità applicative nello studio dell’evoluzione e nelle biotecnologie.
Se l’ipotesi del mondo a RNA è corretta, le prime cellule avrebbero archiviato l’informazione genetica nell’RNA, non nel DNA. Considerazioni chimiche sostengono questa sequenza temporale. Il ribosio può originarsi a partire da formaldeide (HCHO) attraverso reazioni abiotiche note per generare zuccheri semplici; in ambiente geochimicamente realistico, specie come borati e superfici minerali ne stabilizzano gli intermedi. Il deossiribosio, viceversa, è meno accessibile per via prebiotica e, nelle cellule odierne, deriva dalla riduzione di ribonucleotidi a desossiribonucleotidi per azione di enzimi specifici, suggerendo che il “mondo del ribosio” precedette quello del deossiribosio. L’introduzione del DNA avrebbe fornito un supporto informazionale più stabile, selezionato in seguito.
Diversi fattori conferiscono al DNA una superiore stabilità chimico-fisica rispetto all’RNA:
- la sostituzione del gruppo 2’-OH con 2’-H nel deossiribosio riduce l’idrolisi della catena fosfodiestere, aumentando la resistenza del polimero e la sua lunghezza media;
- la struttura a doppia elica, con appaiamento complementare continuo, consente meccanismi di correzione e riparazione basati sullo stampo integro;
- l’uso della timina al posto dell’uracile facilita il riconoscimento della deaminazione spontanea della citosina: la comparsa di uracile nel DNA segnala un danno riparabile mediante vie enzimatiche dedicate;
- l’impacchettamento più stabile del DNA a doppio filamento protegge l’informazione da fluttuazioni termiche e attacchi chimici.
Questi elementi, insieme alle differenze nella maturazione e nei circuiti di riparazione, spiegano perché il DNA si sia affermato come deposito duraturo dell’informazione genetica, mentre le proteine, grazie alla vastità del repertorio di catene laterali, hanno progressivamente occupato la nicchia dei catalizzatori e dei componenti strutturali più efficienti. L’RNA, pur rimanendo cruciale come intermediario dell’informazione e come cofattore strutturale-catalitico in complessi come il ribosoma, ha visto ridursi il proprio spettro funzionale originario (Figura 03.07-05).
Nel complesso, convergono indizi genetici, biochimici e strutturali a favore di una sequenza evolutiva in cui l’RNA precede il DNA. Con l’ingresso del DNA come archivio stabile e delle proteine come principali enzimi, la capacità delle cellule di gestire, replicare e modulare grandi quantità di informazione è aumentata, consentendo l’espansione della complessità fenotipica e la diversificazione dei lignaggi che osserviamo oggi.
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