Il ribosoma è la macchina molecolare che dimora nel cuore stesso della vita. Come funziona?
Immaginiamo una macchina molecolare costruita a partire dai princìpi che abbiamo descritto nella puntata precedente: una struttura di RNA che, grazie al proprio ripiegamento programmato, è dotata di cavità, anse, superfici cariche e tasche, ognuna con proprietà chimiche e geometriche specifiche. Questa macchina possiede la capacità, già vista negli aptameri, di riconoscere in modo selettivo un altro filamento di RNA, legandolo lungo la propria superficie in punti determinati. Non si tratta però di un semplice ancoraggio: la macchina scorre letteralmente lungo il filamento che riconosce, avanzando da un’estremità all’altra. Questo avanzamento, non è continuo ma “a scatti”, ogni volta di tre nucleotidi: ogni scatto mette a contatto una nuova tripletta di basi con una regione precisa della macchina, esattamente come un nastro che viene fatto avanzare di tre perline alla volta sotto la lente di un lettore automatico.
La precisione di questa interazione deriva interamente dalla struttura tridimensionale della macchina: la superficie esterna è disegnata, per via del ripiegamento, per accogliere il filamento “passeggero” solo in una determinata posizione, lasciando esposta una porzione di tre basi alla volta. Queste tre basi, esattamente come nell’esempio degli aptameri, vengono riconosciute dalla macchina grazie alla corrispondenza tra la loro forma, la loro disposizione e le cavità chimiche presenti nella struttura del complesso. Il riconoscimento è strettissimo: solo quella tripletta di basi, in quella posizione, trova un incastro perfetto nella macchina.
A questo punto, la proprietà più sorprendente: ogni volta che una tripletta specifica viene alloggiata nella posizione giusta, la macchina di RNA catalizza una reazione chimica particolare, diversa per ogni possibile combinazione delle tre basi che si trovano nel sito di lettura. La catalisi avviene secondo lo stesso principio descritto per i ribozimi: la macchina accoglie, in una tasca specializzata, le molecole reagenti e le dispone in una configurazione “in tensione”, facilitando la trasformazione chimica richiesta, abbassando la barriera energetica e rendendo il processo estremamente efficiente.
“Tutto il processo si svolge come un meccanismo perfettamente programmato”.
Dopo aver completato la reazione per una tripletta, la macchina compie un nuovo scatto: avanza esattamente di tre nucleotidi, portando in posizione la successiva tripletta e ripetendo l’intero ciclo di riconoscimento e catalisi. Tutto il processo si svolge come un meccanismo perfettamente programmato, dove la macchina di RNA legge, una dopo l’altra, tutte le triplette che compongono il filamento ospite, traducendo ogni specifica combinazione in una reazione chimica precisa.
Il risultato di questo meccanismo è che la sequenza di triplette sul filamento guida il lavoro della macchina, determinando in modo automatico e senza interventi esterni quale reazione sarà catalizzata in ogni punto. La macchina di RNA non fa altro che mettere a frutto, in modo integrato e ripetitivo, tutte le proprietà già viste: la struttura compatta che permette riconoscimento molecolare, la presenza di siti attivi capaci di catalisi, la capacità di agire come interruttore molecolare a seconda della combinazione letta, e la precisione assoluta dell’incastro determinata solo dalla sequenza del filamento.
Questa macchina molecolare, capace di avanzare lungo un filamento di RNA, leggere una tripletta per volta e tradurre l’informazione contenuta in quella tripletta in una funzione chimica specifica, è il ribosoma. Ad ogni avanzamento, la macchina espone sulla propria superficie una nuova combinazione di tre basi, pronta per una reazione chimica specifica.
Ma qual è, precisamente, la reazione chimica cui si è solo accennato fino a questo punto, che avviene ogni volta che una nuova tripletta si trova nel sito attivo della macchina?
“Queste proteine rappresentano la sostanza stessa della vita: costituiscono le strutture cellulari, guidano le reazioni chimiche essenziali, trasportano segnali, difendono l’organismo e rendono possibili le funzioni che definiscono ogni essere vivente”.
Qui entra in gioco un altro protagonista, anch’esso fatto di RNA: il tRNA, o RNA di trasferimento. Il tRNA è una molecola che, grazie al suo ripiegamento, assume una forma tridimensionale caratteristica. Una delle sue estremità presenta una breve sequenza di basi complementare alla tripletta che viene esposta dal ribosoma scorrendo lungo l’mRNA: ciò significa che le due molecole si riconoscono e si appaiano esattamente secondo le regole già descritte per la complementarità tra basi. Sull’altra estremità, il tRNA porta attaccato un amminoacido specifico, cioè una delle venti diverse unità fondamentali delle proteine.
In questo modo, il tRNA svolge la funzione di adattatore molecolare: collega una precisa tripletta di basi – quella esposta dal ribosoma scorrendo lungo l’mRNA – a un determinato substrato chimico, cioè l’amminoacido che parteciperà alla reazione.
La reazione che si verifica è la formazione di un legame peptidico. Il ribosoma, sfruttando la precisione della propria struttura, mette in posizione ideale due amminoacidi: quello portato dal tRNA appena appaiato alla tripletta esposta e quello portato dal tRNA precedente, ancora legato alla macchina. Stabilizzando lo stato di transizione, il ribosoma abbassa la barriera energetica e permette che tra questi due amminoacidi si formi un nuovo legame peptidico, unendo in modo diretto la loro struttura chimica.
Dopo questa reazione, la macchina di RNA avanza di tre basi lungo il filamento di mRNA, esponendo una nuova tripletta. Un altro tRNA, con la sequenza complementare e il proprio amminoacido, si appaia, e il processo si ripete: il ribosoma catalizza nuovamente la formazione di un altro legame peptidico. Così, uno dopo l’altro, gli amminoacidi si uniscono in una catena, la cui sequenza rispecchia esattamente la sequenza di triplette nel messaggio di RNA.
“Questa doppia natura dell’RNA, insieme messaggero e costruttore, non è il risultato di una semplice coincidenza”.
In questo modo, l’informazione scritta nell’mRNA – una lunga serie di triplette – viene tradotta, grazie all’azione coordinata del ribosoma e dei tRNA, in una sequenza precisa di amminoacidi, che formerà una proteina. Queste proteine rappresentano la sostanza stessa della vita: costituiscono le strutture cellulari, guidano le reazioni chimiche essenziali, trasportano segnali, difendono l’organismo e rendono possibili le funzioni che definiscono ogni essere vivente. Nessun altro tipo di molecola può vantare una simile versatilità e centralità nei processi della materia vivente.
La presenza di un filamento di mRNA che porta l’informazione necessaria, di macchine molecolari complesse e di adattatori specializzati – tutti costruiti a partire dall’RNA – mostra come questa molecola sia profondamente radicata ai processi fondamentali della vita. L’RNA non si limita a trasmettere le istruzioni: è anche in grado di realizzarle, traducendo l’informazione in azione chimica e in strutture materiali, cioè in proteine.
Questa doppia natura dell’RNA, insieme messaggero e costruttore, non è il risultato di una semplice coincidenza. Proprio la capacità di combinare in sé le funzioni di memoria e di attività chimica rende l’RNA centrale nel funzionamento delle cellule moderne, e suggerisce che la storia della vita abbia avuto inizio proprio con molecole di questo tipo: entità in grado, da sole, sia di conservare informazione che di trasformarla in azione.
Nella prossima puntata si entrerà nel mondo di quelle macchine a RNA che, secondo molte ipotesi e sempre più dati sperimentali, potrebbero essere state tra i primi artefici dell’origine della vita sulla Terra.
