Biologia molecolare completo

Biologia molecolare

Il mondo biologico è un intreccio di connessioni a diversi livelli di organizzazione. Gli atomi si uniscono a formare molecole, quindi le molecole sono raggruppamenti di atomi legati tra di loro attraverso dei legami chimici. Le molecole si raggruppano a formare le cellule, formate da lipidi, acidi nucleici, proteine e acidi nucleici. Quindi è un raggruppamento di diverse molecole che costituiscono e organizzano la cellula. Le cellule però a loro volta interagiscono per formare dei tessuti, più cellule si differenziano in un modo simile e poi si connettono tra di loro per generare i tessuti. Ma anche i tessuti si intrecciano a formare gli organismi. I diversi organismi sono fatti da tessuti diversi. Gli organismi cooperano formando le popolazioni, quindi il livello di organizzazione va anche a un livello superiore. Le popolazioni fanno parte degli ecosistemi per cui il mondo biologico è un intreccio di connessioni fatte a tutti i livelli di organizzazione. Gli ecosistemi formano poi il mondo che ci circonda. Un tema comune attraversa tutti i livelli di organizzazione: la comunicazione e il continuo passaggio di informazione da cellula a cellula, da organismo a organismo, da generazione a generazione.

Questo significa che in tutti questi livelli di organizzazione, al fine di garantire la vita, ci vuole un continuo passaggio di informazione, cioè ci vuole dell’informazione che sia scritta in qualche modo su qualche molecola particolarmente stabile e che non sia facilmente modificabile. Questa informazione però poi deve essere trasmessa alle generazioni successive. La diversità della vita è unificata da alcuni temi comuni.

• Ogni organismo vivente deve essere separato dall’ambiente che lo circonda. Le cellule sono organizzate in modo da avere una membrana che le isola dall’ambiente esterno. Questo isolamento non è completo, ossia c’è la possibilità di scambiare metaboliti con l’interno e l’esterno della cellula, ma sostanzialmente le cellule sono separate dall’ambiente.
• Ogni organismo deve essere in grado di mantenere l’informazione biologica in forma stabile, e di utilizzare l’informazione per determinare le proprie caratteristiche di composizione, struttura e funzionamento.
• Ogni organismo vivente deve essere in grado di replicare e trasmettere accuratamente l’informazione da una generazione a quella successiva.
• Ogni organismo vivente richiede una fonte di energia dall’ambiente circostante per crescere e riprodursi.

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da componenti molecolari comuni. Le quattro principali classi di molecole su cui si basano gli organismi viventi sono: acidi nucleici, principalmente DNA, tranne qualche virus che contiene RNA; proteine, molecole fatte non più da nucleotidi ma da amminoacidi che funzionano come macchine della cellula; lipidi, importanti poiché costituiscono un involucro; carboidrati, che possono essere elementi strutturali della membrana oppure utilizzati per produrre e immagazzinare energia. Queste molecole sono costituite a partire da unità più piccole, caratteristica delle macromolecole, si vengono a costituire molecole di grandi dimensioni a partire da molecole di piccole dimensioni legando tra loro queste molecole in modo successivo.

Se sono in grado di legare tra loro due elementi, ma il legame di questi due elementi mantiene la possibilità di legare un terzo elemento e poi un quarto, poi un quinto. A questo punto basta un enzima che sappia fare la reazione di connessione tra i due elementi e in questo modo si può ripetere la stessa reazione per molte volte e creare polimeri lunghissimi formati da elementi più piccoli, ad esempio del DNA. La cellula è costituita dal 60% da proteine, che la cellula usa per moltissimi processi e che devono essere prodotte a partire da un'informazione contenuta negli acidi nucleici. I lipidi costituiscono il 16% della cellula, in particolare delle membrane cellulari. Gli zuccheri costituiscono il 6% e vengono utilizzati come fonte di energia, gli acidi nucleici costituiscono il 5% comprendendo DNA e RNA; poi si hanno metaboliti misti che servono per i vari processi metabolici.

Il flusso dell'informazione biologica

Il flusso dell’informazione biologica garantisce il mantenimento della vita sulla Terra. C’è un’informazione scritta da qualche parte che da milioni di anni continua a propagarsi ed è il propagarsi di questa informazione che determina la vita, il flusso. Il flusso dell’informazione è richiesto per garantire che la progenie di un organismo rimanga fedele ai propri genitori nelle caratteristiche da questi manifestate. Il flusso non è casuale, ma è fatto in modo tale che le generazioni successive mantengano l’informazione che avevano i genitori per poterla trasmettere alle generazioni successive.

Il DNA

L’informazione ereditaria è mantenuta in un polimero formato da unità monomeriche dette nucleotidi. Si chiama DNA o acido desossiribonucleico. Si chiama acido perché i vari elementi che si congiungono per formare il polimero, sono dei gruppi fosfato ossia sono dei fosfati. Essendo questo fosfato deprotonato, per ogni nucleotide ci sarà una carica negativa, e per questo il DNA si comporterà come un polianione perché lungo questi due filamenti ci saranno tante cariche negative.

Il DNA (acido desossiribonucleico) è definito:

• Acido perché i vari elementi che si congiungono sono dei gruppi fosfato. Il gruppo fosfato che unisce i due nucleotidi ha degli ossigeni e un gruppo OH, a pH 7 questo idrogeno viene perso diventando H+, stabilizzando il gruppo fosfato (tende a perdere facilmente il protone). Il DNA diventa per questo un acido. Essendo deprotonato per ogni nucleotide ci sarà una carica negativa, per questo si comporterà come un polianione perché formato da un filamento con tante cariche negative (importante soprattutto per la formazione della doppia elica e la formazione di eventuali proteine).
• Ribonucleico perché è una molecola fatta da nucleotidi costituiti da una base azotata e uno zucchero, ribosio. In questo caso il ribosio è nella forma deossi, poiché il ribosio lo troveremo sempre a livello del backbone del DNA e non avrà l’OH in posizione 2’.

Presenta una successione di basi diverse (adenina, guanina, citosina e timina) che permettono alla cellula di scrivere un’informazione come se fosse un alfabeto di 4 lettere. L’informazione contenuta nel DNA è contenuta essenzialmente nella sequenza delle basi, permette anche la duplicazione del DNA. La duplicazione dell’informazione contenuta nel DNA è resa possibile da una semplice corrispondenza di forma che esiste tra le diverse basi del DNA. Le basi del DNA sono complementari tra di loro e ciò permette: da un lato la costituzione dell’informazione genetica, dall’altro la possibilità di duplicarlo.

L’intera sequenza di nucleotidi del DNA costituisce il patrimonio genetico di un organismo, ovvero il suo genoma. Questo è composto da geni e regioni intergeniche, è fisicamente organizzato in cromosomi. Le cellule possono avere il loro genoma o in un'unica molecola di DNA (come spesso accade nei batteri ad esempio Escherichia coli che ha un genoma circolare) oppure DNA organizzati in cromosomi diversi, molecole distinte in cui l’informazione è la stessa. Le regioni intra geniche possono essere anche molto grandi come ad esempio nell’uomo e quindi geni molto lontani tra di loro. Mentre in ad esempio in E. coli le regioni intra geniche sono molto vicine tra di loro.

Il sequenziamento dei genomi dei diversi organismi rivela che i temi comuni che unificano la diversità della vita sono conservati a livello molecolare. L’informazione contenuta nel genoma viene convertita in attività biologica attraverso l’espressione genica (DNA → RNA → proteina (sequenza amminoacidica)). Per sostenere la vita è necessario costruire delle proteine in grado di svolgere attività biochimiche all’interno della cellula che garantiscono la vita. Viene prima trascritta in una molecola di RNA e con la traduzione si passa da un codice di basi a un codice di amminoacidi (sequenza amminoacidica) ad esempio glicina, istidina, alanina ecc. Tutte le cellule che si genereranno sapranno come costruire questa macchina proteica. Non tutta la trascrizione determina la formazione di proteine. Trascrizione e traduzione consentono la sintesi di proteine. La traduzione consiste nella sintesi di un’altra molecola, da una sequenza di basi a una di amminoacidi. In questo processo c’è bisogno di un adattatore molecolare: tRNA che non ha corrispondenza di base e amminoacidi, ma triplette. 64 combinazioni per costruire le proteine, 3 sono codoni di stop per questo non corrispondono amminoacidi. L’espressione genetica è spazialmente e temporalmente regolata, poiché le cellule per poter sopravvivere devono saper regolare nello spazio e nel tempo l’espressione di un determinato gene. I cambiamenti nel genotipo hanno conseguenze nel fenotipo, cioè quell’informazione genetica che è contenuta all’interno del DNA.

L'evoluzione del genoma

Si possono avere dei cambiamenti, ma questi devono avvenire in modo graduale. Una molecola di questo tipo permette di evolvere nuove molecole, permette di trovare nuove funzioni utilizzando proprio questa capacità del DNA di poter modificare la sequenza. Modificare la sequenza del DNA vuol dire modificare una tripletta, e di conseguenza modificare un amminoacido. Per via del codice genetico modificato, ci possono essere anche delle mutazioni silenti, in questo caso cambia la base ma viene mantenuto lo stesso amminoacido.

Il genoma di una particolare specie non è un’entità statica e immutabile. Deve contenere informazione in modo stabile, ma lasciare aperta la possibilità di cambiamento sulla quale si basa l’evoluzione. Al contrario, i genomi sono entità dinamiche: nel corso del tempo vanno incontro a cambiamenti graduali (cambiamento piccolo, non troppo esteso e la cellula riesce a supportarlo), cumulativi (può essere passato alle cellule figlie), che si riflettono in progressivi cambiamenti degli organismi di cui dirigono lo sviluppo e il funzionamento. Il cambiamento progressivo del fenotipo di un organismo nel corso delle generazioni è rappresentato dall’evoluzione. La base dell’evoluzione sta nella capacità degli acidi nucleici di poter cambiare con frequenza non troppo alta la sequenza del codice e quindi le proteine.

Alcuni organismi sono tutti derivati da un antenato comune. Attraverso lo studio delle sequenze di DNA si può determinare la classificazione degli organismi. LUCA (cellula da cui sono derivati tutti gli organismi comparsi sulla Terra) Last Universal Common Ancestor.

L'albero della vita

L'albero della vita mostra la relazione evolutiva tra gli organismi.

• Batteri: batteri verdi non sulfurei, batteri gram positivi, batteri purpurei, cianobatteri, flavobatteri, Thermotoga
• Archea: alofili estremi, metanogeni, termofili estremi
• Eucarioti: animali, ciliati, funghi, piante, flagellati, microsporidi

I punti di diramazione dell’albero corrispondono a geni ancestrali mentre la lunghezza delle linee corrisponde alla distanza evolutiva tra i geni. La biologia molecolare si occupa di tutti quei processi richiesti per il mantenimento e il passaggio dell’informazione al fine di garantire la vita. Lo studio di organismi modello è stata la chiave per la comprensione di molti processi biologici.

Gli acidi nucleici

Nel 1928 Griffith propose l’esistenza di un principio trasformante capace di trasformare un ceppo batterico da non virulento a virulento. Questo ceppo batterico di Streptococcus pneumoniae che causava la polmonite era presente sotto due forme: una rugosa R (ceppo benigno) e una liscia S (ceppo virulento). Queste colonie erano caratterizzate da una capsula polisaccaridica che era in grado di riconoscere il sistema immunitario del topo. Griffith aveva osservato che iniettando batteri del ceppo S vivi, il topo moriva a causa della polmonite. Nel secondo esperimento provò a utilizzare sempre dei batteri del ceppo S, ma iniettandoli ad alte temperature, cioè fece bollire la soluzione a 100°C e poi la iniettò nel topo. Il risultato fu che questi batteri scaldati non determinavano più la morte del topo. Mentre con il ceppo R, anche se iniettato senza nessun trattamento, il topo sopravviveva perché il sistema immunitario era in grado di neutralizzarlo. Adesso, prese dei batteri vivi del ceppo R e li mescolò con dei batteri del ceppo S inattivati al calore, determinando la morte del topo. Griffith concluse che ci deve essere qualcosa, che egli chiamò principio trasformante, qualcosa di materiale che sia in grado di trasformare i ceppi R in virulenti.

Nel 1944 Avery annunciò che il principio genetico trasformante è il DNA. Perfezionò l’esperimento di Griffith, prese dei batteri lisci (virulenti, incapsulati) e riuscì a separare i vari componenti. In tutte queste provette con i vari componenti (DNA, RNA, proteine, lipidi, polisaccaridi) vengono aggiunti poi dei batteri R per vedere in quale componente agiscono. Quando vengono mescolati con il DNA i batteri diventano R mentre con gli altri componenti no, rimangono R. Fece un altro esperimento: l’attività trasformante veniva distrutta dall’aggiunta di una deossiribonucleasi (enzimi che degradano il DNA) mentre veniva mantenuta se le frazioni purificate venivano trattate con ribonucleasi (enzimi che degradano l’RNA) o enzimi proteolitici (degradano le proteine).

Nel 1952 Hershey e Chase dimostrarono che solo la componente di DNA del fago T2 trasporta l’informazione genetica attraverso l’esperimento del frullatore. I virus che infettano i batteri sono costituiti da un involucro proteico e un materiale genetico costituito da DNA. Si basarono su una caratteristica fondamentale degli acidi nucleici e proteine. Volevano capire dove fosse contenuta l’informazione genetica. Utilizzarono un aspetto molecolare di queste due componenti: acidi nucleici costituiti da atomi come C, O, N, H, P, mentre le proteine da C, O, N, H, S. Con questa osservazione abbiamo 2 elementi: uno è il fosforo e uno lo zolfo contenuti rispettivamente nell’acido nucleico e nella proteina. Per entrambi esiste un isotopo radioattivo P³⁵ e S³⁵ usati come marcatori radioattivi di molecole biologiche. Se i fagi venivano cresciuti in terreno con P³² si ottenevano fagi con DNA marcato radioattivamente. Se cresciuti in S³⁵ sarebbe stato marcato l’involucro proteico. Con questi elementi portano a termine l’esperimento: prendono i fagi marcati e li usano per infettare dei batteri, i fagi iniettano quindi il loro materiale genetico al batterio. Entra in gioco il frullatore per togliere il materiale radioattivo. A questo punto lasciano che i fagi si replichino all’interno della cellula e vanno a recuperare le particelle fagiche. Analizzando queste particelle fagiche, se osservo una radioattività dovuta a S³⁵ l’informazione si trova nelle proteine, se no nel DNA. Il risultato fu che i fagi contenevano radioattività dovuta al P³². Da qui si accetta che l’informazione genetica in grado di essere trasferita da un organismo ad un altro è scritta in una molecola di DNA.

Proprietà generali attese del materiale genetico

• Capacità di immagazzinare informazione genetica e di trasmetterla alla cellula portatrice al momento opportuno.
• Informazione: sequenza di aminoacidi di ogni proteina, l'informazione deve permettere alla cellula di costruire una proteina.
• Segnali di inizio e terminazione per ogni proteina: bisogna sapere dove inizia e dove finisce.
• Segnali regolativi: quando e quanto sintetizzare ogni proteina.
• Trasmissione di informazione alla progenie, dovrà essere scritta in modo da poter essere facilmente replicata.
• Stabilità chimica del contenuto informativo: il materiale deve essere chimicamente stabile e quindi non facilmente modificabile.
• Capacità di variare: Mutabilità: permette alle cellule di evolvere e selezionare con il tempo delle proteine più efficienti e poter permettere l’evoluzione dell’organismo.
• Alterazione chimica.
• Errore replicativo.

Proprietà chimico-fisiche del DNA già note prima della formulazione della struttura della doppia elica da parte di Watson e Crick

• Il DNA contiene nucleotidi legati tra di loro da ponti fosfodiestere.
• Campioni di DNA da specie diverse contengono le stesse basi eterocicliche ma in quantità tra loro differenti e caratteristiche della specie.
• In tutte le specie di DNA, la stechiometria delle diverse basi eterocicliche è correlata: A+G = C+T; A=T; G=C (regola di Chargaff).
• Aveva osservato che la somma della concentrazione di purine all’interno di un determinato genoma corrispondeva alla somma delle pirimidine.
• Il DNA delle varie specie ha una certa viscosità e viene convertito in una forma a più bassa viscosità ad una temperatura (Tm) caratteristica della specie. Avevano osservato che il DNA aveva una certa viscosità, ma diventava più fluida se scaldata e questa conversione avveniva a delle temperature caratteristiche della specie, dipendevano dalle diverse composizioni di basi. Questo cambio di viscosità è dovuto alla presenza della doppia elica.