Il gomitolo molecolare dell'acido ribonucleico non si arrotola a caso: la forma e la disposizione dei suoi filamenti sono alla base di funzioni precise ed essenziali per la vita.
In biochimica, la relazione tra struttura e funzione è un principio generale, che si ritrova anche nella vita quotidiana. Una vite serve a fissare materiali grazie alla filettatura che percorre il suo corpo: questa spirale permette di penetrare e ancorarsi nel materiale, mentre la testa, con la sua forma a taglio o a croce, accoglie solo la punta compatibile di un cacciavite. Qui la funzione non dipende dal materiale, ma dalla geometria e dall’incastro tra forme: solo una corrispondenza perfetta permette di trasmettere forza, proprio come una chiave apre solo la sua serratura. Tuttavia, in questi oggetti la struttura viene imposta dall’esterno, progettata e realizzata perché svolga una funzione precisa.
La cosa straordinaria dell’RNA, invece, è che questa molecola, che, come si è visto, porta informazione sotto forma di una sequenza ordinata di nucleotidi, utilizza quella stessa informazione per assumere spontaneamente una forma precisa, senza alcun intervento esterno, ma semplicemente in conseguenza della sua sequenza e delle interazioni che questa consente.
Un filamento di RNA può essere immaginato come un filo sottile, su cui sono distribuite a intervalli regolari le basi azotate, ciascuna con la capacità di riconoscere solo una controparte specifica, secondo le regole di Watson e Crick: l’adenina si appaia con l’uracile, la guanina con la citosina. Quando due tratti del filo, anche distanti nella sequenza, avvicinano basi compatibili, queste si appaiano stabilmente, aderendo fra loro come segmenti di velcro che si chiudono solo nel verso giusto. Questa selettività fa sì che il filo dell’RNA non rimanga mai disteso: tende invece a ripiegarsi su sé stesso, portando i segmenti compatibili ad affiancarsi e ad appaiarsi, formando così regioni doppie dette steli. Tra uno stelo e l’altro, dove non esistono basi compatibili, il filo curva e lascia porzioni sciolte, chiamate anse o loop, che rimangono esposte all’esterno della struttura.
“A differenza di un gomitolo comune, dove il filo si avvolge in modo casuale, la struttura dell’RNA è sempre la stessa per una data sequenza”.
A seconda della sequenza, il filo può intrecciarsi ulteriormente, generando strutture simili a complicati nodi – incastri tridimensionali in cui più segmenti si sovrappongono e fissano il ripiegamento – o, più raramente, eliche triple e altre architetture particolari. L’insieme di tutte queste pieghe, fissate dalle interazioni specifiche tra le basi e stabilizzate dagli ioni positivi come il magnesio, produce una struttura finale che si discosta completamente dall’idea di un filo flessibile: ciò che si ottiene è un gomitolo compatto.
Ma a differenza di un gomitolo comune, dove il filo si avvolge in modo casuale, la struttura dell’RNA è sempre la stessa per una data sequenza. L’avvolgimento segue uno schema rigoroso, imposto dall’ordine delle basi e dalle interazioni che esse stabiliscono. Ogni sequenza di RNA genera il proprio gomitolo caratteristico: la disposizione spaziale, la superficie, la distribuzione delle cariche e le cavità presenti sono determinate dalla posizione delle basi lungo il filo e dalle possibilità di appaiamento.
Solo dopo questo processo il gomitolo diventa qualcosa di più di una semplice forma: la superficie che si espone all’esterno, la presenza di anse, tasche, fessure e regioni cariche permettono all’RNA di esercitare una serie di funzioni chimiche e biologiche specifiche, in una relazione diretta tra forma e capacità molecolare.
Una delle funzioni più sorprendenti e utili è il riconoscimento molecolare. Un esempio particolarmente chiaro di questa proprietà è dato dagli aptameri. Gli aptameri sono brevi filamenti di RNA che, grazie al loro ripiegamento caratteristico, formano sulla superficie del gomitolo delle cavità o delle tasche in grado di riconoscere e legare in modo selettivo una particolare molecola, che può essere una proteina, uno zucchero, uno ione o una piccola sostanza chimica. Il riconoscimento avviene attraverso una corrispondenza precisa tra la superficie del sito di legame dell’aptamero e la forma, le cariche e la disposizione degli atomi della molecola bersaglio. Come una chiave si adatta alla sua serratura, solo la molecola giusta può essere trattenuta dall’aptamero. Questo principio viene sfruttato anche in laboratorio e in biotecnologia, dove aptameri artificiali sono selezionati appositamente per legare con grande precisione una sostanza desiderata.
Un’altra funzione fondamentale permessa dal ripiegamento dell’RNA è la catalisi. Alcuni RNA, detti ribozimi, agiscono come catalizzatori biologici: facilitano e accelerano le reazioni chimiche senza venire consumati nel processo. Nella maggior parte delle reazioni chimiche naturali, le molecole da trasformare devono superare una barriera energetica per cambiare struttura: come dover piegare un oggetto rigido finché non si rompe o assume una nuova forma. Questa configurazione temporanea, difficile da raggiungere, si chiama stato di transizione: è una fase in cui la molecola viene letteralmente “messa in tensione”, i suoi legami vengono stirati o compressi, rendendo la rottura o la formazione di nuovi legami molto più facile. Un ribozima, grazie alla sua struttura tridimensionale, crea una tasca in cui accoglie la molecola bersaglio (substrato) e la costringe a questa posizione di tensione, stabilizzando lo stato di transizione e abbassando l’energia necessaria perché la trasformazione avvenga. In questo modo la reazione diventa rapida e avviene facilmente, mentre il ribozima può ripetere il ciclo molte volte senza essere modificato.
“Quale ruolo giocano le funzioni dell’RNA oggi nella nostra stessa esistenza?”
Un’ulteriore funzione resa possibile dal ripiegamento riguarda la risposta ai segnali e la regolazione. Alcune strutture di RNA funzionano come veri e propri interruttori molecolari. Quando una piccola molecola presente nell’ambiente si lega in modo specifico a una tasca della struttura, questa interazione induce un cambiamento di forma nell’RNA. Il cambiamento di forma, a sua volta, attiva una funzione completamente nuova. In altre parole, il legame con la piccola molecola “accende” una nuova attività: la struttura di RNA risponde così a una variazione nell’ambiente, attivando la propria funzione solo quando serve, proprio come un interruttore acceso o spento a seconda delle circostanze.
In tutti questi casi, il principio resta lo stesso: la sequenza determina il ripiegamento, il ripiegamento determina la struttura, e la struttura consente la funzione. L’RNA, attraverso la logica dei suoi ripiegamenti programmati, diventa così non solo un veicolo di informazione, ma una vera macchina molecolare, capace di riconoscere, catalizzare, regolare e rispondere, grazie alla precisione con cui trasforma informazione lineare in architettura tridimensionale.
Posto che queste funzioni sono state dimostrate, quale ruolo giocano oggi nella nostra stessa esistenza? Nella prossima puntata, troveremo la risposta: al cuore stesso della vita, vi è una macchina di RNA affascinante, di cui illustreremo il funzionamento.
