Appunti di Biologia molecolare

Scienze biologiche

Ambiente primordiale: le origini della vita

La vita sulla Terra ha preso origini dai materiali non viventi ed in particolare dalle molecole chimiche inorganiche presenti dopo il big-bang.

L’atmosfera primordiale era infatti formata da composti come metano (CH4), ammoniaca (NH3), vapore acqueo (H2O), idrogeno (H2), acido solfidrico (H2S), anidride carbonica (CO2) e azoto (N2), che si erano generati in seguito alle esalazioni vulcaniche e alle piogge.

L’ossigeno nell’atmosfera era quasi del tutto assente, e di conseguenza anche l’ozono, per cui i raggi ultravioletti del Sole arrivavano fino alla superficie della Terra. Su di essa erano presenti intensi campi di energia che determinavano terremoti, eruzioni vulcaniche, fulmini. Tutto ciò fornì l’energia necessaria per innescare le reazioni chimiche che, dai semplici composti inorganici, portarono alla formazione dei composti organici che stanno alla base del funzionamento delle cellule.

Composti organici: sono molecole formate principalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno, che possono avere strutture molto grandi e complesse e una grande variabilità di forme e caratteristiche.

A questo proposito alcuni esperimenti di laboratorio sono riusciti a dimostrare che in quei momenti le condizioni estreme della Terra erano capaci di produrre dei semplici composti organici. In questi esperimenti, in apparato chiuso una miscela di gas inorganici come CH4, NH3, CO2, H2 scaldata con acqua è stata bombardata con energia sotto forma di scariche elettriche o radiazioni ultraviolette; i ricercatori hanno rilevato la formazione di semplici composti organici in grande quantità come formaldeide, acido formico, acetico e lattico, alcuni amminoacidi come la glicina, l’alanina, l’acido aspartico dimostrando che la produzione di queste sostanze è piuttosto facile e che quindi è probabile che nell’ambiente primordiale fosse ricco di questi composti.

Circa 4 miliardi di anni fa si verificò inoltre un evento innovativo: alcune macromolecole organiche in grado di interagire tra loro tramite reazioni chimiche si trovarono aggregate in compartimenti all’interno delle membrane. Queste strutture diedero vita alle prime cellule.

Per circa 2 miliardi di anni, gli organismi viventi sono rimasti a livello di singole cellule che vivevano negli oceani in modo da essere protette dai raggi ultravioletti del Sole. Queste cellule erano i procarioti (prima del nucleo, sono cellule senza nucleo) in cui il materiale che conteneva l’informazione genetica necessaria per replicarsi, così come gli aggregati macromolecolari che permettevano loro di vivere, erano liberi di fluttuare all’interno delle membrane.

Diverse cellule procariote vivono ancora ai giorni nostri come gli eubatteri e gli archeobatteri. I procarioti primordiali vivevano «consumando» le molecole organiche che erano presenti nell’ambiente (erano eterotrofi) che utilizzavano per crescere e replicarsi e per produrre energia per il loro metabolismo. Queste cellule erano anche anaerobie (vivevano senza ossigeno).

Definizioni degli organismi: autotrofi ed eterotrofi

Gli organismi autotrofi sono in grado di vivere in ambienti in cui sono presenti semplici composti inorganici, essi riescono a sintetizzare le molecole biologiche di cui hanno bisogno utilizzando, come fonte di carbonio l’anidride carbonica e come fonte di azoto l'ammoniaca o altri composti inorganici azotati. Per essi, quindi, la presenza o meno di altri organismi, come pure di molecole organiche di origine esogena, non è necessaria.

Gli organismi eterotrofi manifestano la necessità, dal punto di vista nutrizionale, di composti organici perché da queste molecole ricavano l'energia necessaria alla loro sopravvivenza. Non sono in grado di sintetizzare molecole organiche, se non ci sono muoiono.

Gli organismi possono essere classificati anche in anaerobi e aerobi a seconda della capacità di vivere in assenza di ossigeno.

Gli organismi anaerobi sono in grado di vivere in assenza di ossigeno. Producono energia e le molecole per le funzioni vitali senza utilizzare l’ossigeno.

Gli organismi aerobi hanno invece bisogno di ossigeno per svolgere le funzioni cellulari e per produrre energia, in sua assenza muoiono. Fino ad un miliardo di anni fa, esistevano sulla Terra solo organismi unicellulari, poi grazie al fatto che le cellule hanno cominciato a modificare le loro strutture e le loro funzioni, per adattarsi meglio agli stimoli ambientali e hanno iniziato ad aggregarsi in complessi pluricellulari, è stata possibile la nascita dei primi organismi pluricellulari.

In questi organismi pluricellulari le cellule componenti si sono via via più specializzate in funzioni specifiche. Per esempio, all’interno dello stesso organismo alcune cellule si sono occupate della fotosintesi, altre trasportavano le materie prime e l’ossigeno per i processi vitali, altre ancora si trasformavano in cellule per la riproduzione sessuale. A questo punto è iniziata la vita sulla Terra come la conosciamo noi ora…

I passaggi fondamentali: fotosintesi e ricombinazione sessuale

Lo sviluppo della vita sulla Terra è stato profondamente segnato dalla comparsa della fotosintesi. Circa 2,5 miliardi di anni fa, infatti, alcuni procarioti (molto simili alle attuali alghe azzurre) acquisirono la capacità di utilizzare l’energia solare per produrre le molecole necessarie al loro metabolismo (glucosio (C6H12O6)) ed ossigeno (O2), diventando quindi autotrofi.

La massa di ossigeno che venne rilasciata dai processi di fotosintesi cambiò la composizione dell’atmosfera, creando lo strato di ozono protettivo dai raggi solari e permise lo sviluppo di microorganismi aerobi (che vivono utilizzando l’ossigeno).

Un secondo evento fondamentale nell’evoluzione della vita sulla Terra è stata la comparsa della ricombinazione sessuale e cioè la possibilità per due cellule diverse di combinare il loro patrimonio genetico in una singola cellula figlia. Questo meccanismo ha permesso la generazione di organismi con un grado di variabilità maggiore e quindi c’era una probabilità maggiore che alcune di esse si adattassero bene all’ambiente circostante e ai suoi cambiamenti nel tempo.

L’adattamento alle variazioni dell’ambiente è uno dei tratti più caratterizzanti per gli organismi viventi perché permette di accrescere le possibilità di sopravvivenza e quindi anche di trasmissione della caratteristiche genetiche vantaggiose alla prole. Aumentando la variabilità tra individui la riproduzione sessuale ha accelerato anche molto la frequenza dei cambiamenti evolutivi.

Con il procedere dell’evoluzione alcuni procarioti raggiunsero dimensioni tali da poter «mangiare» cellule più piccole. Molte di queste piccole cellule venivano distrutte completamente, ma alcune sopravvivevano alla cattura e venivano integrate in maniera permanente nella cellula ospite. Questo fenomeno ha permesso la nascita delle prime cellule caratterizzate dalla presenza di membrane interne portando così, allo sviluppo delle cellule eucariotiche che possiedono un nucleo e degli organelli.

Le caratteristiche della vita

L’unità fondamentale della vita è la cellula e tutti gli organismi viventi costituiti da una o più cellule. Sono presenti forme di vita molto semplici come i protozoi che sono formate da una sola cellula (organismi unicellulari) mentre un cane o un albero sono costituite da miliardi di cellule specializzate (organismi pluricellulari).

Gli esseri viventi crescono in dimensioni durante la loro vita e si sviluppano (trasformandosi a seconda delle funzioni che devono svolgere).

Gli esseri viventi regolano i loro processi metabolici, svolgono delle reazioni chimiche che gli permettono di produrre energia e molecole per la crescita, la riparazione delle cellule e la riproduzione. Le reazioni metaboliche nell’organismo avvengono per mantenere l’omeostasi (l’equilibrio) e devono essere accuratamente controllate per produrre livelli adeguati di energia e di tutte le sostanze che servono alla cellula.

Gli organismi sono in grado di rispondere agli stimoli muovendosi, anche se non sempre c’è una locomozione (spostamento da un posto all’altro). Gli organismi unicellulari si muovono per esempio avvicinandosi o allontanandosi dalla luce, oppure muovendo ciglia e flagelli per avvicinare il cibo. Le spugne o i coralli in alcuni stadi della loro vita possono nuotare e le piante possono orientare le foglie o i loro fiori (pensate al girasole) verso la luce.

Gli organismi si riproducono. Tutti gli esseri viventi oggi sulla Terra nascono da organismi preesistenti.

Negli organismi unicellulari molto semplici come per esempio l’ameba (alcune amebe sono parassiti intestinali umani) la riproduzione è asessuata, la cellula si divide in due parti che formano due cellule figlie. Negli organismi superiori la riproduzione è invece sessuale e avviene tramite i gameti che si uniscono con i gameti di un altro individuo per generare la prole.

I virus rappresentano per i biologi la frontiera tra organismi viventi e non viventi perché non hanno una struttura cellulare e non possono svolgere attività metaboliche né replicarsi in modo autonomo. Sulla base delle caratteristiche morfologiche, genetiche e cellulari, gli organismi viventi sono stati classificati in regni che dimostrano comunque l’origine da un antenato comune.

I legami chimici

Le molecole si creano attraverso la formazione dei legami chimici.

Il legame chimico indica l’interazione tra atomi (è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell’elemento) che portano alla formazione di molecole o cristalli ionici o di tipo metallico.

Le interazioni riguardano principalmente gli elettroni (hanno una carica elettrica negativa) più esterni degli atomi e producono modificazioni della struttura elettronica. Per sapere quanti legami tenderà a fare un determinato elemento devo guardare la sua valenza (definita prima come il numero di elettroni del guscio esterno coinvolti nella formazione dei legami).

Esistono vari tipi di legami chimici: il legame covalente si forma attraverso la condivisione di elettroni tra atomi e la formazione di orbitali molecolari. Nel caso della molecola di idrogeno i due atomi «condividono» i loro elettroni. Nel caso della molecola di CO2, l’atomo di carbonio mette in comune 4 elettroni mentre i due atomi di ossigeno condividono 2 elettroni a testa. Quando 2 doppietti di elettroni vengono condivisi tra 2 atomi si forma un doppio legame covalente. Il triplo legame covalente si forma quando vengono condivise 3 coppie di elettroni.

I legami covalenti possono essere di tipo: covalente omopolare, quando il legame si forma tra atomi uguali: es: O2 (ossigeno), N2 (azoto), P4 (fosforo) oppure covalente eteropolare, quando il legame si forma tra due atomi diversi. Es: H20 (acqua). Nel legame covalente eteropolare i due atomi possono avere capacità diverse di attrarre gli elettroni che costituiscono il legame. Questa proprietà è chiamata elettronegatività.

L’elettronegatività, i legami covalenti

L’elettronegatività è una grandezza che si riferisce alla capacità degli atomi di attrarre gli elettroni di legame. Guardando la tavola periodica si vede che l’elettronegatività è una proprietà periodica, cioè segue la disposizione degli elementi sulla tavola periodica.

Osservando i valori dell’elettronegatività per tutti gli atomi del sistema periodico, infatti, si nota che questa grandezza aumenta (in arancio/rosso) spostandosi verso destra (quindi verso gli elementi come fluoro, cloro, ossigeno etc) e dal basso verso l’alto. Se due atomi di una molecola hanno elettronegatività simile si parlerà di legame covalente apolare (quindi non polare). Ad esempio i legami delle molecole di idrogeno H-H, ossigeno O=O e metano CH4 sono apolari.

Il legame covalente polare si avrà invece tra atomi con elettronegatività diversa. In questo caso l’orbitale molecolare è distorto perché l’elettrone è più attratto dall’atomo più elettronegativo e quindi «passerà più tempo» attorno ad esso. I legami covalenti siano essi polari che apolari sono legami forti. In una molecola con uno o più legami covalenti polari ci sarà un’estremità con una carica parziale positiva ed un’altra con una carica parziale negativa. Un esempio è dato dall’acqua.

Il legame ionico: alcuni atomi o gruppi di atomi non sono elettricamente neutri ma possiedono una carica elettrica e vengono chiamati ioni. Il legame ionico si forma tra specie dotate di carica elettrica (ioni) attraverso la cessione o l’acquisizione di elettroni. Nel caso della molecola di NaCl (cloruro di sodio, sale da cucina), l’atomo di sodio (Na) cede un elettrone all’atomo di cloro (Cl). Dopo questo passaggio il sodio è carico positivamente Na+ mentre il cloro acquisisce una carica negativa Cl-. La forte attrazione tra le cariche elettriche positiva e negativa fa sì che si formi il legame ionico e tiene insieme gli atomi.

Quando un atomo accetta uno o più elettroni si carica negativamente e viene chiamato anione. Se invece perde uno o più elettroni si carica positivamente e viene chiamato catione. Il numero di elettroni negli orbitali esterni è una caratteristica importante perché elementi con lo stesso numero di elettroni di valenza formeranno ioni con la stessa carica.

Esempio: elementi del II gruppo che hanno una struttura elettronica simile (2 elettroni esterni) sono definiti metalli alcalino terrosi e hanno tutti la tendenza a trasformarsi in cationi (perdendo i 2 elettroni esterni) es: Be++, Mg++, Ca++. Oppure gli elementi del VII gruppo, gli alogeni, hanno 7 elettroni esterni e tendono ad acquisirne 1 (per raggiungere gli 8 elettroni esterni) e a trasformarsi in anioni con una carica negativa: Br-, Cl-, I- etc.

Un composto ionico è una sostanza costituita da anioni e cationi legati insieme grazie all’attrazione che deriva dalle loro cariche di segno opposto. I composti ionici sono chiamati comunemente sali. Il termine molecola non spiega adeguatamente le proprietà dei composti ionici come per esempio il cloruro di sodio l’NaCl (sale da cucina). Quando è un cristallo allo stato solido ogni atomo di Na e di Cl è circondato da 6 atomi di segno opposto. La formula bruta NaCl indica il rapporto tra gli ioni che compongono la sostanza perché non esistono singole molecole NaCl invece gli atomi sono disposti in un reticolo cristallino.

La solvatazione ed i legami deboli: legame ad idrogeno e van der Waals

Quando il cloruro di sodio o gli altri composti ionici vengono posti in acqua gli ioni tendono a dissociarsi perché l’acqua è un ottimo solvente in particolare per le sostanze polari. Le cariche positive parziali (localizzate sulle molecole di idrogeno) e le cariche negative parziali (localizzate sull’ossigeno) dell’acqua attraggono e circondano gli anioni ed i cationi sulla superficie del sale.

Una sostanza disciolta si definisce anche soluto. In soluzione i cationi e gli anioni sono circondati dalle molecole d’acqua, questo processo è detto idratazione.

Il legame ad idrogeno è molto importante dal punto di vista biologico. Lega atomi con parziali cariche elettriche di segno opposto. Quando l’idrogeno (H) si combina con l’ossigeno (O) o con l’azoto (N) per effetto della diversa elettronegatività, una carica positiva si accumula sull’H ed una negativa sull’O o sul N. Queste due cariche si attraggono e le molecole si dispongono nello spazio in modo che si formino tra loro dei legami ad idrogeno. Ogni singolo legame ad idrogeno è relativamente debole ma il fatto che si formino in gran numero li rende complessivamente forti.

Le interazioni di van der Waals sono forze attrattive tra molecole vicine. Anche le molecole apolari (e quindi elettricamente neutre) possono avere sulla loro superficie deboli cariche positive e negative istantanee provocate dal movimento degli elettroni. Questo fa sì che si generino delle forze attrattive tra molecole vicine: queste forze sono chiamate di van der Waals. Queste interazioni sono molto deboli (più deboli dei legami ad idrogeno) diventano rilevanti quando le molecole sono grandi e molto vicine tra loro.

L’acqua: nello stato solido, il ghiaccio, e nello stato liquido le molecole d’acqua sono tenute insieme da legami ad idrogeno e per questo motivo l’acqua ha proprietà coesive ed adesive. La natura coesiva fa sì che le molecole dell’acqua tendano a stare vicine tra loro. Invece le proprietà adesive fanno sì che le molecole d’acqua si attacchino a molte superfici, in particolare alle superfici che presentano cariche elettriche al loro esterno.

Pensate ad esempio all’acqua in un cilindro di vetro. Mentre il termine "coesione" fa riferimento all'azione di attrazione tra molecole uguali, il termine "adesione" fa riferimento all'azione di attrazione tra molecole diverse. Le forze di adesione e coesione sono alla base di fenomeni importanti dal punto di vista biologico, come la capillarità.

La capillarità è la tendenza di alcuni liquidi di risalire i tubi molto stretti contro la forza di gravità. Grazie a questa caratteristica per esempio l’acqua penetra nelle radici delle piante e risale i fusti degli alberi. Le sostanze che interagiscono facilmente con l’acqua sono dette idrofiliche (idrolifiche signif