Appunti esame fondamenti neurobiologici e genetici dell'attività psichica

Fondamenti neurobiologici e genetici dell'attività psichica

Tutto nel nostro mondo tende alla disorganizzazione (seconda legge della termodinamica, i fatti della vita) sia materia viva che non. Tutto è entropico (entropia = disordine). Tutto tende al disordine perché tutto è entropico. La termodinamica ha postulato delle leggi che spiegano cosa succede nel nostro mondo.

Differenza tra materia vivente e non vivente

Organismo vivente:

• Mantiene la propria organizzazione
• Si riproduce
• È attraversato da un flusso continuo d’energia

Gli organismi viventi hanno trovato un modo per sfuggire all’entropia. Per sfuggire alla disorganizzazione che regola tutta la materia non vivente. Gli organismi viventi sono in grado di creare ordine. Come fanno? Sono capaci di generare ordine perché sono capaci di riprodursi.

La prima cellula, lo zigote, si ottiene dalla fusione tra ovulo e spermatozoo, da origine all’embrione perché va incontro a migliaia di divisioni cellulari. L’embrione è una forma organizzata di queste migliaia di divisioni. L’embrione è stato generato da due esseri viventi.

Gli esseri viventi non solo sfuggono al disordine, ma generano ordine perché sono in grado di riprodursi. Non possono sfuggire al disordine in eterno, perché hanno un ciclo di vita. Quando va incontro alla morte la sua capacità di controllare il disordine viene meno e si va incontro a entropia e si manifesta nella disgregazione del corpo del vivente.

Come fanno a sfuggire alla seconda legge della termodinamica gli organismi viventi?

Ci riescono perché utilizzano un flusso continuo di energia. Che tipo di energia utilizzano? L’energia chimica. Da dove viene? Dal cibo.

I costituenti degli alimenti sono formati da atomi tenuti insieme da legami chimici che sono soprattutto covalenti. Quando un organismo vivente rompe questi legami covalenti, genera energia chimica che utilizza per mantenere il suo stato di ordine. Sebbene tutti utilizzano energia chimica, ci sono 2 grandi categorie di viventi:

• Organismi autotrofi: sono in grado di utilizzare composti che non convengono più energia chimica, sono in grado di trasformarli da soli in energia chimica. Autotrofi = in grado di produrre da soli il proprio cibo (es. piante).
• Organismi eterotrofi: non sono in grado di prodursi da soli gli elementi che contengono energia chimica, ma li devono assumere da altri eterotrofi o da autotrofi (es. l’uomo).

Gli autotrofi ed eterotrofi sono entrambi importanti, si trovano in equilibrio tra di loro e c’è una relazione circolare. Gli autotrofi sono organismi capaci di prendere composti e trasformarli in prodotti energetici: anidride carbonica e acqua non hanno composti energetici, ma grazie alla radiazione solare, gli autotrofi li trasformano in glucosio, perché hanno nel loro corpo cianobatteri, o le piante hanno la clorofilla, che è in grado di sfruttare l’energia del sole per creare legami chimici tra gli atomi.

Ciò significa che partendo da una molecola di anidride carbonica, mettendola insieme a 6 atomi, formano energia. I legami chimici importanti per noi sono i legami tra gli atomi di carbonio.

Gli autotrofi riescono a produrre molecole di glucosio (prodotti organici), gli eterotrofi utilizzano glucosio e ossigeno per produrre energia. Gli eterotrofi devono assumere energia dall’esterno, ad esempio il glucosio serve come carburante per tantissime delle nostre reazioni metaboliche delle nostre cellule. Gli eterotrofi hanno bisogno degli autotrofi ma, anche gli autotrofi hanno bisogno degli eterotrofi, perché se non ci sono eterotrofi che producono anidride carbonica e acqua, gli autotrofi non hanno energia. Entrambe le categorie servono l’una all’altra.

Necessità di disporre di una quantità sufficiente di energia: introduzione di alimenti

• Soddisfazione dei bisogni energetici per il mantenimento delle strutture dell’organismo
• Rifornimento dei materiali per la crescita ed il rinnovamento delle strutture dell’organismo
• Necessità di elementi nutrizionali (H2O, vitamine e sali minerali) che non hanno funzione energetica ma sono essenziali

Noi come eterotrofi dobbiamo mangiare, assumere alimenti dall’esterno, per avere energia chimica. Cibo = fonte di energia chimica (esempio: spesso quando si parla di dieta si parla di calorie, ovvero la quantità di energia che un alimento può dare), ma non lo assumiamo solo perché ci serve energia, non è l’unico scopo biologico!

Gli alimenti ci forniscono anche elementi da cui ricaviamo i mattoncini che vanno a costruire tutte le nostre molecole. Esempio: la carne ci dà proteine, che vengono smontate in amminoacidi che sono i costituenti di base di tutte le nostre proteine. Mangiamo carne per formare le proteine del nostro corpo. L’insieme di tutti gli amminoacidi (che sono 20), danno origine a tutte le proteine del nostro corpo.

Le proteine servono a TUTTO: costituiscono la membrana cellulare, funzionano da enzimi (permettono l’avvenire delle reazioni chimiche), funzionano da recettori per captare i segnali che arrivano dall’esterno… le proteine sono le macromolecole più diffuse nel nostro corpo. E come fanno le nostre cellule a fare le proteine? Grazie agli amminoacidi che assumiamo dall’esterno.

Il cibo non ha solo valore energetico, ma serve a fornire i costituenti di base che servono a produrre le macromolecole: oltre alle proteine, anche i carboidrati, che non hanno solo funzione energetica. All’interno di una cellula i carboidrati hanno funzioni diverse rispetto a quella energetica, oltre a fornirci energia, il cibo ci fornisce gli elementi nutrizionali essenziali: acqua, vitamine, sali minerali. Questi 3 composti NON hanno valore energetico, non servono a produrre energia!

Ad esempio le vitamine del gruppo B forniscono delle molecole (coenzimi) che fanno supporto agli enzimi nelle reazioni metaboliche. (es. la vitamina B2 è il precursore di un coenzima che si trova nella respirazione cellulare; per produrre ATP ci sono enzimi aiutati da coenzimi come il FAD che vengono ricavati grazie alle vitamine, se questa catena si blocca, e non otteniamo ATP, non abbiamo più energia). Le vitamine non servono per produrre direttamente energia ma sono essenziali per il corpo.

L’acqua: l’80% delle nostre cellule è fatto di acqua. Se non assumiamo sufficiente acqua, l’acqua delle nostre cellule comincia ad uscire, se perdiamo la maggior parte del volume delle nostre cellule, la cellula comincia a rimpicciolirsi, gli organuli collasserebbero e nulla funzionerebbe più, ciò causerebbe la morte dell’organismo vivente. L’acqua non serve per produrre energia, ma per mantenere in vita l’essere vivente.

Tutti gli organismi viventi si cibano per istinto di sopravvivenza. Ma nell’essere umano il cibo, gli alimenti, hanno solo valore nutrizionale? Mangiamo solo per sopravvivere? Può avere anche significato di socialità, di incentivo, di piacere, per dimostrare una propria convinzione, può avere un aspetto religioso. Può essere visto anche in maniera negativa: disturbi alimentari. Alcune persone rifiutano il cibo per pensare di avere il controllo su qualcosa. Controllo ciò che faccio assumere al mio corpo perché altri aspetti della mia vita sono incontrollabili, non mangio per richiamare l’attenzione di qualcuno. Il cibo non serve per ottenere energia, ma come mezzo per cercare di relazionarmi con qualcosa.

In generale se parliamo di organismi viventi, il cibo ha valore di sopravvivenza, per avere energia e composti per le nostre cellule, ma se dal generale ci spostiamo all’uomo, allora a questo punto abbiamo un’altra visione del cibo, legata a come gli alimenti possono entrare in diversi concetti, come quello di socialità, di espressione di emozioni… in concetti molto più complessi!

Scienza

La scienza è una forma di sapere umano (conoscenza) caratterizzata da un metodo che ha 2 requisiti fondamentali:

• Rigore
• Oggettività

Il movente della scienza secondo Aristotele (IV sec. a.C)

«Infatti gli uomini hanno cominciato a filosofare, ora come in origine, a causa della meraviglia; mentre da principio restavano stupiti di fronte alle difficoltà più semplici, in seguito, progredendo a poco a poco, giunsero a porsi problemi sempre maggiori: ad esempio, i problemi riguardanti i fenomeni della luna, del sole e degli astri, o quelli riguardanti la generazione dell’intero universo».

Il metodo scientifico

Il metodo scientifico viene utilizzato dagli scienziati per trovare risposte alle loro domande. Diverse aree del sapere umano possiedono dal loro inizio, o hanno più o meno recentemente acquisito, un metodo scientifico e vengono quindi riconosciute come scienze. Ad esempio:

• Scienze matematiche: algebra, geometria
• Scienze fisiche: fisica, chimica, biologia
• Scienze umane: psicologia, sociologia

Il metodo scientifico è formato da 6 tappe:

1. Osservazione dei fenomeni naturali: uno scienziato osserva un fenomeno che lo incuriosisce. Osservazione attenta, curiosa, senza pregiudizi e possibilmente ripetuta del fenomeno (di solito vengono ripetuti 3 volte).
2. Problema: si pone un problema riguardo al fenomeno. Una domanda giusta posta nel modo giusto. Questo passaggio è essenziale quando ci sono fenomeni più complessi. Porsi la domanda giusta porta poi a sviluppare in modo corretto tutte le altre tappe. Esempio: come mai avviene il fenomeno X nelle condizioni Y e non avviene nelle condizioni Z? Qual è la causa di ciò che ho osservato? Che relazione esiste tra lo stimolo X e la risposta Y?
3. Ipotesi di soluzione: forma ipotesi per trovare soluzione al problema, possono essere più di una. Tentativo logico e valutabile di risposta alla domanda. Possono essere formulate diverse ipotesi scientifiche da parte di un singolo ricercatore o di più studiosi che lavorano indipendentemente; esse vengono normalmente aggiornate, modificate o scartate sulla base della loro evidenza o inevidenza e dei dati osservazionali o sperimentali acquisiti.
4. Verifica o confutazione: tramite esperimenti; le ipotesi possono essere sia verificate che confutate dagli esperimenti. Un’ipotesi è un’idea che lo scienziato si fa riguardo alla soluzione del problema che si è posto ma non è detto che l’ipotesi sia vera. Se l’ipotesi viene confutata, deve tornare indietro e formulare nuove ipotesi. Le verifiche o la confutazione possono essere di tipo osservazionale o sperimentale.
5. Conclusione o teoria: formulare una teoria che sia basata sui risultati raccolti durante la verifica sperimentale. La teoria scientifica è un'ipotesi avente valore predittivo di ciò che accadrà in un determinato fenomeno, suffragata da numerose convincenti verifiche, e non (ancora) confutata da alcuna osservazione contraria alla previsione. Le teorie scientifiche non sono assolute (esenti da ulteriori verifiche o confutazioni) né immutabili, ma possono essere riviste, corrette, integrate (esempio: dogma centrale della biologia – Watson – spiega il flusso di informazioni dal DNA alle proteine, negli ultimi anni questa teoria è stata aggiornata perché si è scoperto che questo dogma non è esattamente così).
6. Comunicazione: i risultati devono essere comunicati alla comunità scientifica e poi a tutti quanti! Se si seguono le 5 fasi ma non si comunicano i risultati a tutti, i risultati ottenuti non hanno nessun valore! Tutti i ricercatori cercano di pubblicare i risultati il prima possibile. Il carattere “pubblico” della scienza e la sua “oggettività” richiedono la comunicazione (orale o scritta: pubblicazione) dei dati, delle ipotesi, delle verifiche e della eventuale teoria proposta.

Perché è importante comunicare i risultati?

Perché si rendono partecipi gli altri scienziati dei risultati ottenuti e inoltre gli altri scienziati possono fare un’ulteriore verifica. I risultati devono essere replicabili ovunque, da qualsiasi persona. Se i risultati ottenuti sono differenti allora: o lo scienziato che ha replicato l’esperimento ha sbagliato a seguire il protocollo, oppure colui che ha svolto l’esperimento iniziale ha sbagliato. Si devono sempre ottenere gli stessi risultati.

Come si fanno a pubblicare i risultati?

In inglese, che è la lingua scientifica. Tutti gli articoli scientifici internazionali sono scritti in inglese. Una volta scritto l’articolo, esso viene inviato alla rivista. La rivista non lo pubblica subito perché per ogni articolo vengono scelti dei revisori anonimi, ovvero scienziati di altri laboratori a cui si invia questo articolo prima della pubblicazione (processo della revisione anonima), esso non conosce gli autori dell’articolo, e gli autori non sanno chi sono i revisori, in questo modo si evitano i favoritismi.

I revisori devono leggere l’articolo, verificare che tutto sia logico, che ciò che è riportato nel piano sperimentale sia comprensibile e spiegato correttamente, così come i risultati e la loro discussione sia stata fatta basandosi sulla letteratura già presente nella banca dati. I revisori possono dire che l’articolo è scritto bene e dunque esso viene pubblicato, oppure possono dire che ci sono dei punti oscuri da chiarire, in questo caso l’articolo viene rimandato agli autori con i commenti dei revisori, essi poi lo devono correggere e deve essere rimandato ai revisori.

I revisori possono anche dire che mancano degli esperimenti fondamentali per verificare la teoria. Gli scienziati fanno esperimenti aggiuntivi e l’articolo viene nuovamente rimandato ai revisori, ma essi possono anche dire che ancora non va bene, possono esserci altre richieste.

L’ultima cosa che i revisori possono dire è che l’articolo non è stato scritto bene e l’articolo non è al momento pubblicabile. C’è più di un revisore perché se uno dice che l’articolo non è pubblicabile, ma altri due dicono che esso può essere pubblicato se avvengono dei cambiamenti, allora viene rimandato agli autori per la modifica, ma se su due revisori entrambi dicono che esso non è pubblicabile, allora l’articolo viene rimandato agli autori con i commenti, e non viene pubblicato.

I dati devono essere chiari per tutti! (esempio: caso Stamina, non ha pubblicato neanche un articolo o protocollo sperimentale e dopo un anno si è scoperto che erano tutte cavolate, le cellule staminali non potevano curare patologie). La pubblicazione serve a proteggere da false notizie, le persone comuni che non conoscono l’importanza della pubblicazione scientifica possono essere ingannate.

Esempio di ricerca scientifica

1943 - Di Avery, MacLeod e MacLyn McCarty – studio sulla natura chimica della sostanza che induce una trasformazione ereditabile in un tipo di pneumococchi. A metà del ‘900: non si sapeva quale fosse la macromolecola che permetteva la trasmissione dell’informazione genetica. Non si sapeva che quella macromolecola era il DNA, che conteneva tutte le informazioni genetiche. Si chiesero quale fosse la sostanza chimica nei batteri, in particolare nei pneumococchi, che permettesse la trasmissione di informazioni. Questo dubbio è sorto dopo aver letto la ricerca di un altro scienziato (Griffit).

Griffit era un medico militare (1 guerra mondiale) e voleva trovare una cura per la polmonite, che era molto diffusa e letale. Stava studiando il ceppo di batterio che origina la polmonite, ovvero gli pneumococchi. Osservò 2 pneumococchi differenti:

• Il ceppo R, tipo 2: varietà non virulenta, non causa l’insorgenza della polmonite. La colonia che creano è irregolare, opaca, bianca, rugosa (R = rough = ruvido). Non hanno la capsula polisaccrida e dunque il sistema immunitario distrugge il battere.
• Il ceppo S, tipo 3: varietà virulenta, causa la polmonite. Messi su un terreno di cultura si moltiplicano e formano delle colonie batteriche, visibili ad occhio nudo, e sono raggruppamenti di centinaia e migliaia di batteri. Sembrano delle gocce di cera, sono delle colonie bianche traslucide (S= smooth=liscio). I batteri S hanno una capsula polisaccarida che protegge il battere ed è capace di impedire l’attacco del sistema immunitario dell’organismo che infettano.

Griffit usò dei topolini:

1. Prese dei batteri di tipo S e li iniettò in alcuni topi, essi si ammalarono e morirono.
2. Fece la stessa cosa con i batteri R, i topi non svilupparono la polmonite e sopravvivevano.
3. Poi prese i batteri S e li uccise con il calore, inattivandoli, e i topi non si ammalavano e restavano in vita. Dunque i batteri S vivi uccidevano i topi, i batteri S inattivi non li uccidevano.
4. Infine ha preso i batteri S morti e li ha miscelati con i batteri R vivi, ma al contrario delle sue aspettative, i topi morirono.

Formulò una ipotesi: nei batteri S morti era presente una sostanza (principio trasformante) che era in grado di resistere al calore ed era in grado di trasferirsi dai batteri S morti ai batteri R vivi, trasferendo l’informazione genetica, così che i batteri R diventassero batteri S, ovvero batteri virulenti. Griffit non conosceva la natura chimica di questa sostanza, sosteneva solo la sua esistenza.

Queste sono state le osservazioni da cui sono partiti Avery e coll per il loro disegno sperimentale. All’epoca si credeva che la trasmissione dell’informazione genetica veniva svolta dalle proteine, perché si sapeva che esse erano complesse (20 amminoacidi mescolati in modo diverso) e si trovavano ovunque, svolgevano tutte le funzioni, erano le molecole più importanti (protei...