Appunti di Genetica

Genetica e legami chimici

La genetica è una scienza astratta che ci permette di vedere cose non visibili, ma in tre dimensioni e in movimento (la vita si gioca tutta su interazione tra atomi e molecole in movimento).

Legami chimici

I legami chimici sono interazioni tra atomi (sono costituiti da protoni, che hanno carica positiva, e neutroni, che non hanno carica, nel nucleo, circondato da elettroni, particelle cariche negativamente) o molecole. Ci sono sempre delle forze che sono in contrasto in un atomo. Alcuni atomi sono stabili come i gas nobili (neon, elio…), perché hanno raggiunto la configurazione economica per cui tendono a non reagire, mentre gli altri atomi tendono a reagire con altri atomi per raggiungere la loro stabilità che significa avere nell’ultimo strato 8 elettroni.

Tipi di legami

• Legame a idrogeno: inter-molecolari tra molecole. Se prendo tante molecole di acqua e le metto tutte insieme, non vanno a caso ma si orientano; l’atomo di ossigeno di una molecola sarà attratto dagli atomi di idrogeno di un’altra molecola, ecco perché è liquida a temperatura ambiente. Ci sono però sempre due forze in campo: da una parte c’è l’attrazione tra molecole (attrazione elettrica), dall’altra parte c’è la repulsione (energia cinetica). Quando metto l’acqua in pentola, vedo che si formano delle bollicine di vapore: quindi, la repulsione è data dal movimento delle molecole che dipende dalla temperatura; più aumento la temperatura, più le molecole vibrano.
• Legame ionico: intra-molecolari tra atomi. Ci sono due tipi di legami (covalente e ionico). Il legame si forma tra due atomi che hanno una forte differenza di elettronegatività (capacità di attrarre elettroni) poi diventano ioni (uno acquista elettroni e l’altro li cede). Ad esempio, il sodio è un atomo NaCl, che ha 1 elettrone esterno (o ne cede uno, o ne acquista 7, non può acquistare 7 elettroni perché prendere 7 elettroni vuol dire un mega accumulo di carica negativa su Na) quando si trova in presenza di un atomo che lo può accettare, nel nostro caso il Cl che ha 7 elettroni esterni e vuole raggiungere l’ottetto. L’atomo di Cloro diventa carico negativo, il sodio positivamente Na⁺Cl^-. Il magnesio, ad esempio, ne può cedere 2, se però è circondato da atomi di cloro ne cede uno a un atomo di cloro, e uno all’altro, quindi avrò MgCl₂.

Il legame ionico non si forma tra due ioni, ma prevede la formazione di due ioni. Il legame covalente si instaura tra atomi che hanno uguale o simile elettronegatività, ovvero una capacità simile di attrarre elettroni. L’unica cosa che possono fare è condividere elettroni; l’elettrone a comune ruota tra i due atomi e così entrambi fanno quello che vogliono fare. Gli elettroni a comune ruotano intorno ad entrambi gli atomi, quindi gli atomi sono molto vicini. Per rompere questo legame mi serve più energia di quanto mi servirebbe nello ionico, perché sono più vicini. L’azoto ha 5 elettroni, gliene mancano 3, la rottura della molecola di azoto richiede un quantitativo di energia enorme (ne devo rompere 3).

Può essere puro (atomi con la stessa elettronegatività, esempio due atomi di H, la nube elettronica è simmetrica, non è spostata, gli elettroni passano lo stesso tempo su entrambi gli atomi) o polare (si instaura tra due atomi che hanno una differenza di elettronegatività, ma non così elevata da permettere la formazione di un legame ionico; si parla di tempo, ovvero la nube elettronica sta su entrambi, ma gli elettroni a comune staranno più tempo sull’atomo più elettronegativo).

Quando si parla di tempo si parla di dipolo elettrico: ci sarà una parte parzialmente positiva e una parte parzialmente negativa, il dipolo va dalla parte negativa alla positiva. Il cloro è gassoso, perché? Perché le molecole di cloro possono interagire tra di loro solo con VDW che sono debolissime, l’acqua è liquida perché c’è il legame a idrogeno. L’ossigeno attrae gli elettroni a comune di più degli atomi di idrogeno, quindi sull’ossigeno avrà il delta meno, sull’idrogeno il delta più.

Struttura della cellula

Il mondo dei viventi si divide in:

• Procarioti: sono a sua volta suddivisi in archei e batteri, tutti gli archei e tutti i batteri sono organismi unicellulari.
• Eucarioti: sono sia organismi unicellulari sia organismi pluricellulari, si dividono essenzialmente in animali e piante.

Ma cosa è un essere vivente? L’essere vivente si evolve (cambiamento nel tempo; ma c’è comunque la stella che si evolve, pur non essendo vivente, in modo autonomo; noi quando pensiamo all’evoluzione pensiamo subito all’evoluzione biologica, ma l’evoluzione è un fenomeno cosmico), hanno molecole di informazioni (DNA-RNA; ci sono i virus che non sono viventi eppure hanno un DNA), si devono riprodurre (generare entità simili o uguali a se stesso; ma ci sono organismi che pur non essendo viventi si riproducono ovvero i cristalli), un'altra caratteristica che hanno i viventi è il metabolismo (ovvero una serie di reazioni che trasformano una carta sostanza in un’altra, ma anche la stessa auto trasforma benzina in gas di scarico).

Ma gli organismi viventi hanno almeno tutte e 4 queste caratteristiche simultaneamente. Gli organismi viventi sono fatti da cellule (chiamate così da Hooke che le vide nel sughero e le chiamò cells).

Cellula eucariotica animale

Cosa vedo? Vedo tante palline bianche che vibrano (che io a posteriori so che sono le teste dei fosfolipidi di membrana), ma non sono tutte bianche, vedo tante forme che stanno immerse e che fuoriescono, alcune stanno lì ferme, altre si muovono, escono e rientrano (che a posteriori so che sono proteine intrinseche/estrinseche). Proseguo, vedo che le palline hanno le code, due per ogni pallina, e lì non ci sono molecole di acqua, vedo poi altre codine che sbucano su altre teste, poi esco e vedo che non c’è più quello di prima, quindi lo vedo ora che è una membrana! A questo punto però la cosa bianca non la vedo più, perché? Perché la cellula è piena di atomi e di molecole (se metto 5000 persone in una stanza schiacciate contro la parete, non la vedo più). L’interno della cellula non è vuoto, è affollato. Atomi e molecole che non stanno ferme ma che interagiscono e si muovono. L’acqua è dentro e fuori, ma non nel mezzo quindi capisco che le code sono idrofobiche.

La cellula animale è circondata da una membrana che è chiamata plasmatica o cellulare, questa membrana è chiamata a mosaico fluido, ovvero non è una struttura formata solo da fosfolipidi con teste idrofiliche e code idrofobiche, ma ci sono anche tante molecole, in particolare proteine che possono o rimanere immerse nella membrana o uscire/entrare. Nella cellula c’è un caos assoluto, ma è solo un caos apparente perché in realtà è un movimento ordinato, dentro la cellula c’è un ordine dettato dal nucleo. Dentro la cellula c’è una materia viscosa che si chiama citoplasma, gli enzimi sono catalizzatori di una reazione chimica che è spontanea ma li accelera, la lentezza non è compatibile con la vita, dentro le cellule le reazioni avvengono velocemente. Ma la velocità va a discapito a volte, perché si può incappare negli errori. Ai primordi, 3-4 miliardi di anni fa, le prime entità avevano un metabolismo che era lentissimo e col passare degli anni tutto si è velocizzato, tutto è diventato più sofisticato in modo da arrivare agli organismi come noi li conosciamo oggi.

Organelli nella cellula eucariotica

• Mitocondri: organelli in cui avviene la respirazione cellulare che ci permette di ottenere energia che serve per costruire molecole (il metabolismo si divide in catabolismo – distruggere macromolecole in micromolecole per ottenere energia necessaria all’anabolismo – e anabolismo – energia che mi serve per costruire le molecole). Il mitocondrio è fatto da una doppia membrana con delle creste interne (create per aumentare la superficie di scambio di ossigeno, infatti sulle creste mitocondriali ci sono i citocromi che servono a scambiare elettroni, ma per quale motivo tutte le proteine necessarie alla respirazione sono nei mitocondri? Se fossero sparse nel citoplasma avrebbero meno efficacia, gli elettroni dovrebbero muoversi nel materiale viscoso e sarebbe estremamente lento, non sarebbe compatibile con la vita. Nelle cellule eucariote alcune funzioni sono state compartimentalizzate, ai primordi gli enzimi della respirazione stavano immersi nel citoplasma, c’era una dispersione. Se uno entra dentro il mitocondrio vede elettricità generata dai citocromi, ma trova anche molecole di DNA diverse, che sono sempre a doppia elica, piccole, corte e circolari (non lineari come gli altri). I mitocondri inizialmente erano dei batteri aerobi, che poi piano piano si sono trasformati grazie all’endosimbiosi dando origine alle prime cellule eucariotiche.
• Apparato del Golgi
• Reticolo endoplasmatico
• Ribosomi: sintesi delle proteine

La membrana nucleare è ricca di pori, da cui escono molecole di forme diverse, nel nucleo troviamo la molecola della vita, il DNA. Due eliche che si avvolgono a spirale, formano una struttura a doppia elica lunghissima, su cui c’è di tutto in vibrazione. Dentro ci sta tutta l’informazione, ci sta scritto quello che la cellula è potenzialmente capace di fare, ma non è detto che lo farà. L’altra molecola informazione è l’RNA.

Le cellule vegetali differiscono dalle animali per 3 elementi:

• Parete cellulare: è più densa e rigida, dà una forma a una cellula, serve a filtrare le molecole che passano, e serve a non fare scoppiare la cellula quando le cellule inglobano acqua. Le piante vivono in un ambiente ipotonico, quindi tenderebbero a far entrare sempre più acqua e quindi scoppierebbero. La membrana cellulare c’è sempre come in quella animale.
• Cloroplasti: organelli in cui avviene la fotosintesi clorofilliana ossigenica (anche i batteri fanno la fotosintesi, ma a parte i cianobatteri non fanno quella ossigenica, non producono ossigeno). Nei cloroplasti arrivano i fotoni, i fotoni nell’entrare perdono parte della loro energia, e vengono catturati dalla clorofilla dei cloroplasti. I fotoni devono penetrare: parete, membrana, citoplasma e cloroplasti. Fotosintesi: anidride carbonica + acqua grazie a luce si formano glucosio e ossigeno. I primi organismi sulla terra erano anaerobi, non respiravano, quando sono comparsi i cianobatteri che facevano la fotosintesi clorofilliana ossigenica hanno iniziato a pompare ossigeno nell’atmosfera, e era veleno per gli anaerobi che poi iniziarono a cercare di usare l’O₂. Anche nei cloroplasti c’è il DNA cloroplastidiale, è ciò che rimane del genoma dei primi cianobatteri comparsi sulla terra. Quindi anche le cellule vegetali sono il risultato di endosimbiosi in cui il cianobatterio è entrato nella cellula animale e l’ha fatto diventare vegetale (Lynn Margulis nome da sapere che è quella che ha creato questa teoria).
• Vacuolo

Procarioti

Vuol dire le differenze con gli eucarioti: prima del nucleo, sono tutti unicellulari. Hanno caratteristiche simili agli eucarioti (essendo gli eucarioti originati da batteri e da archei). Hanno parete cellulare ma diversa rispetto alle cellule vegetali; ha la stessa funzione della parete cellulare delle piante, anche loro vivono in ambiente ipotonico e scoppierebbero.

Sono piccoli e tanti e vivono in tutte le nicchie ecologiche possibili (aria, acqua, terra e alte temperature). La loro capacità di vivere in tutte queste nicchie ecologiche è legata alla loro plasticità metabolica ovvero alla loro capacità di adattarsi a tutte le condizioni ambientali possibili. Siamo fatti da 10 000 miliardi di cellule, tutte geneticamente identiche ad eccezione dei gameti aploidi. Anche se sono geneticamente identiche, hanno funzioni diverse. Nell’intestino ci sono 100 000 miliardi di batteri, vuol dire che per ogni cellula animale nostra ci sono 10 cellule batteriche. Nelle nostre cellule c’è tanto DNA ma il numero di geni si aggira attorno ai 20-30 mila. Ci sono dentro il nostro intestino 3 milioni di geni diversi (ecco la plasticità metabolica).

Nei batteri non ci sono tutti gli organelli delle cellule eucariotiche, ci ritroviamo i ribosomi in cui avviene la sintesi delle proteine. Il fatto che i ribosomi siano presenti in tutti gli organismi viventi significa che anche nelle cellule ancestrali queste cellule dovevano possedere dei ribosomi. Nella maggioranza dei batteri non c’è un nucleo, ma ci sono alcuni batteri (pochi) che hanno una membrana nucleare. I batteri possono avere fino a 3 cromosomi e possono essere o tutti circolari o tutti lineari o in parte circolari in parte lineari. Ci sono poi i plasmidi nel citoplasma, e i cromidi, scoperti da poco, immersi nel citoplasma e localizzati nella regione del nucleoide. In 1 grammo di suolo ci sono 1 miliardo di batteri.

Aplodia e diplodia

Gli esseri viventi possono riprodursi creando individui molto simili a quelli di partenza. Da una cellula se ne possono generare 2. Dallo zigote cellule tutte geneticamente uguali, stanno tutte insieme, nessuna va per conto suo e man mano con una serie di modificazioni chimiche tutto questo inizia a prendere forma. Le uniche cellule che non sono in continuo sviluppo sono i neuroni, che iniziano a morire, ma aumentano le connessioni con il passare del tempo. I batteri si dividono per scissione, ovvero una cellula batterica pian piano inizia a diventare più grande, ci saranno dei segnali intracellulari che la fanno dividere (vuol dire che deve essere diviso tutto e quindi la propria info genetica deve essere duplicata prima della divisione così che una copia vada in una cellula e una nell’altra). Ovviamente se ho un cromosoma me lo immagino meglio, negli eucarioti con più cromosomi mi risulta più difficile, gli eucarioti si riproducono per mitosi, quello che succede è che il sistema di riproduzione, perché dà origine a due cellule identiche? Perché la cellula deve mantenere la propria identità dal punto di vista biologico, quindi da una cellula si formano cellule geneticamente identiche che devono mantenere la loro identità biologica.

Mantenere l’identità biologica significa generare dei cloni, un clone è un insieme di entità identiche. Questo ovviamente va a discapito dei processi evolutivi perché l’evoluzione si basa sulla variabilità genetica. Poi queste due forze sono andate incontro a equilibrio. La mitosi è un processo che fa nascere da una cellula, due cellule geneticamente identiche. I cromosomi quando la cellula è in interfase non si vedono, si vedono solo nella metafase, quindi abbiamo 46 molecole di DNA. Ognuna di queste si deve duplicare in modo che sulle cellule figlie ci vadano a finire 46 cromosomi identici agli altri.

Ciclo cellulare di una cellula eucariote

G1+S+G2 è interfase, poi c’è la mitosi. Ognuna delle 46 molecole si duplica e poi alla fine una copia di ognuna delle 46 se ne deve andare da una parte o dall’altra. Nelle due cellule figlie deve andare esattamente la stessa informazione genetica, e non deve essere casuale.

La divisione cellulare negli eucarioti (mitosi)

Nelle cellule eucariotiche è detto meiosi ed è molto più complesso della scissione binaria che avviene nelle cellule procariotiche. Anche in questo caso, come nelle cellule procariotiche, il risultato finale deve essere la produzione di cellule figlie che siano geneticamente identiche rispetto alla cellula madre quindi il DNA contenuto nel nucleo della cellula madre deve prima duplicarsi affinché le cellule figlie possano ereditare la stessa informazione genetica della cellula madre. Il DNA si duplica in una fase del ciclo cellulare, ovvero nella fase S, la fase S è preceduta da G1 (fase in cui la cellula cresce prima che il DNA possa essere replicato), una volta duplicato la cellula entra in una fase che è detta G2 (fase in cui la cellula si prepara alla divisione cellulare). Le fasi G1+S+G2 nel loro insieme vengono chiamate la interfase. La fase G2, che avviene dopo la duplicazione, viene seguita dalla mitosi vera e propria divisa in varie fasi (profase, prometafase, metafase, anafase, telofase e citocinesi che è la divisione cellulare vera e propria).

Da un punto di vista molecolare: la cellula animale e vegetale sono diverse, tuttavia la cosa importante è che a parte il DNA mitocondriale e quello dei cloroplasti, la stragrande maggioranza del DNA è contenuto nel nucleo della cellula, quindi è intuibile che il processo di divisione cellulare sia molto più complesso di quello che non avviene nei batteri con la scissione binaria. Basti pensare anche a quanto sia difficile disgregare il nucleo. Quando la cellula eucariotica è in G1 (prima della duplicazione S), i cromosomi non sono visibili e il DNA nucleare è legato ad alcune proteine istoniche che formano la cromatina, esistono due tipi di cromatina:

• Eucromatina: è meno addensata
• Eterocromatina: è più addensata e quindi visibile al microscopio

Dal punto di vista funzionale, l’eucromatina corrisponde alle regioni del DNA che sono in quel momento espresse, invece l’eterocromatina corrisponde alle regioni del DNA che non sono in quel momento attive. Col procedere della fase G1 il DNA inizia ad addensarsi, poi il DNA si replica con un meccanismo semiconservativo.