Appunti completi Bioingegneria cellulare

ASPETTI EVOLUTIVI DELL'ORIGINE DELLA VITA

Le stelle sono caratterizzate da atomi leggeri (H, He, etc.) che nulla hanno a che fare con gli atomi che compongono gli esseri viventi. Gli elementi più pesanti (C, N, e P) delle stelle vengono sintetizzati negli stadi finali della vita stellare e sono stati disseminati nello spazio durante l'esplosione delle Supernove. Per avere degli atomi pesanti dobbiamo aspettare quindi un ciclo stellare (diversi miliardi di anni).

Se vogliamo fare una datazione:

• Età universo: 13.5 e 14 miliardi di anni.
• Età terra: 4.5 miliardi di anni (ma per circa 0.5 miliardi è stata inabitabile).

Le prime evidenze di forme di vita vengono datate intorno ai 3.5 miliardi; questo lascia aperta quindi una finestra di circa 500 milioni di anni (probabilmente 200-300) per l'apparizione e lo sviluppo della vita sulla Terra.

Gli spettri relativi all'emissione dei corpi celesti rilevano che lo spazio è costellato.

• Acidi nucleici
• Proteine
• Carboidrati
• Lipidi

Il substrato è che lo sostennero con un insieme di processi (PROTOMETABOLISMO). Molte ipotesi furono avanzate in merito alle caratteristiche di questa fase di sviluppo una di queste si basa sui legami tra atomi di zolfo e atomi di carbonio dei composti acilici che insieme formano composti che prendono il nome di tioesteri (R-SH+R’-COOH→R-S-CO-R’+H O con R-SH tiolo e R-S-CO-R’ tioestere).2 I tioesteri sono strutture altamente energetiche (molto simile a ATP). Gli acidi carbossilici sono stati trovati sui composti dei corpi stellari mentre i tioli provengono dalle eruzioni vulcaniche.1

Perché RNA? Perché l’RNA può creare un’altra molecola di RNA, anche il DNA può ma non da solo (ha bisogno dell’RNA) e le proteine non possono. L’RNA contiene la codifica per sé stesso quindi si autosostiene. Le proteine non hanno la codifica e hanno bisogno di qualcosa che codifica per loro. Il RNA ha inoltre delle capacità

di catalisi quindi regolazione di una serie di processi.

Sviluppo dell'RNA world

All'inizio si sono formati i tioesteri che hanno fornito il substrato che ha prodotto i nucleotidi; poi si è formato il RNA e questo si è replicato ma ad ogni replica può introdurre degli errori. Sulla base di queste mutazioni vengono fatte delle selezioni e questo ha portato alla formazione di proteine per mezzo dell'RNA (mettere insieme AAs e costruire proteine). → Tuttora le proteine vengono prodotte nel ribosoma in cui è presente molto RNA quindi l'RNA rimane molto presente nella sintesi delle proteine. Alcune delle proteine prodotte fanno da supporto all'RNA nella sua replicazione (feedback positivo tra RNA e proteine). Le molecole di RNA che producono proteine hanno quindi un vantaggio evolutivo. Nasce l'esigenza di avere una molecola specifica che favorisca il trasporto degli AAs (specializzazione della molecola RNA transfer) e vengono

prodotte anche proteine catalitiche. Il DNA è stato l'ultimo a fare la sua comparsa dopo che è nata l'esigenza di complessità. A lui è deputato il compito di contenere e proteggere le varie informazioni.

Organizzazione degli esseri viventi

Ogni essere umano nel suo sviluppo individuale (ontogenesi), a partire dall'embrione, percorre una vicenda simile a quella dell'evoluzione delle specie viventi sul pianeta (filogenesi), a partire dal primo essere monocellulare sino alla realizzazione più specializzata che è l'uomo. Il patrimonio genetico dell'uomo contiene buona parte delle informazioni relative alle specie precedenti ed è il risultato dell'inibizione di caratteristiche precedenti e dell'integrazione di ulteriori specializzazioni. Ontogenesi fornisce una chiave di lettura anche per andare a capire qual è il processo di costruzione degli organismi e degli spunti su come analizzarli.

Esempi:

elementi di base→biomolecole→sub strutture→ cellule ecc.

Capire come la struttura biochimica è l’elemento chiave per capire le funzioni (Struttura→funzione).

Gli elementi chimici dei sistemi viventi

Nell’uomo si trovano 41 specie chimiche le cellule e i tessuti dell’uomo sono costituiti da:

• C, H, O, N, P, S più del 99% del peso totale (87% sono H e O)
• Na, Ca, Mg, K, Cl 1% combinate in molecole o ioni
• Tracce di altri dodici elementi: Cu, F, Fe, I, etc. (oligoelementi presenti sotto forma di ioni organici)

Si può stimare che le specie viventi sulla Terra siano intorno ai 10 milioni. Tutte però sono caratterizzate da similitudini negli elementi chimici (visti prima), grande somiglianza nei meccanismi molecolari alla base delle funzioni vitali ed una grande diversità architetturale (da monocellulari ad organismi complessi).

Questa grande diversità si è evoluta anche grazie alle interazioni

Con l'ambiente. Ciascun organismo trasmette le caratteristiche della specie ai figli. Anche se le forme finali sono molto diverse le codifiche invece sono rimaste invariate e quindi nel nostro patrimonio genetico ci sono una serie di caratteri e caratteristiche che si sono conservate nel tempo. La trasmissione è possibile grazie al DNA.

22. INTRODUZIONE ALLA CELLULA

Le cellule batteriche sono principalmente composte da acqua (70%) ma la componente chimica è composta principalmente da RNA e proteine. In generale gli organismi viventi utilizzano l'energia libera per poter mantenere la loro organizzazione molecolare e strutturale. L'energia libera è ciò che consente alla cellula di svolgere le reazioni chimiche. Ogni meccanismo alla base ha delle variazioni di energia libera (ΔG) e dalla parte della cellula c'è una spesa di energia libera. Gli organismi in questa attività si basano da una serie di complesse reazioni chimiche.

Sia l'architettura che il complesso delle reazioni chimiche vengono trasmessi nel codice genetico.

DNA struttura e dimensioni

Il DNA è una struttura a doppia elica composta da due filamenti (double strand) ciascuno costituito da 4 tipi di nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da un gruppo fosfato collegato ad uno zucchero, a sua volta collegato ad una base. Il fosfato di zucchero è uguale in tutti i nucleotidi, quello che cambia è la base (adenina, timina, guanina e citosina).

L'avvolgimento del DNA è tale per cui ad ogni giro si hanno allocati 10 nucleotidi (dopo 10 ho fatto un intero avvolgimento). Il passo è di 3.4 nm (34 Amstrong). In una cellula troviamo 1.6x10 coppie di basi. Le basi nell'accoppiamento tra i due strand non si possono accoppiare in modo qualunque ma ci sono le coppie fissate. Questo perché le coppie sono simili tra loro: C e G fanno tre legami mentre A e T ne fanno due. Il DNA, quindi, è una

Struttura molto lunga (2 m totale in una cellula) ma con diametro molto piccolo (2 nm). Nell'elica i gruppi fosfato vanno verso l'esterno, le basi sono verso l'interno. Le basi possono avere 2 o 3 atomi elettronegativi che danno origine alla formazione di legami H (N e O sono elettronegativi). La struttura del DNA ha legami covalenti (forti) all'interno del singolo filamento mentre le interazioni tra le due catene sono governate da legami deboli (legami H con energia di dissociazione molto inferiore rispetto ai legami covalenti). Il numero totale dei legami H è comunque elevato quindi la struttura risulta stabile. L'apertura, infatti, non avviene in modo naturale. Questo è un esempio di come legami deboli ripetuti in tutta la lunghezza portano comunque ad una stabilità forte.

Replicazione e trascrizione del DNA

Duplicazione del DNA = divisione cellulare e copia completa.

Trascrizione del DNA = riguarda solo la trascrizione di porzioni di interesse.

per la sintesi di una specifica proteina (quindi il DNA viene aperto ma non tutto). Quindi quello che differenzia duplicazione e trascrizione è il risultato (copia di DNA o copia di RNA).

1. Replicazione: DNA replica il suo contenuto informativo mediante un processo che coinvolge diversi enzimi.
2. Trascrizione: DNA codifica la produzione del RNA messaggero (mRNA) quindi si passa da DNA ad RNA. In realtà nel nucleo viene prodotto quello che è detto RNA nucleare che attraverso lo splicing da origine al mRNA che esce dal nucleo ed entra nel citoplasma.
3. Processazione: nelle cellule eucariote, mRNA viene processato e migra dal nucleo al citoplasma cellulare.
4. Traduzione: mRNA porta il codice di informazione al ribosoma, che lo legge lo utilizza per la sintesi delle proteine; si passa dal linguaggio dei nucleotidi a quello degli amminoacidi.

Nel momento della replicazione la TOPOISOMERASI percorre e srotola la doppia elica e i legami H vengono rotti per far sì che le