Biologia applicata

Biologia applicata

L'origine della vita

La vita sulla Terra ha preso origine dai materiali non viventi e, in particolare, dalle molecole chimiche inorganiche presenti dopo il Big-Bang. L'atmosfera primordiale era formata da composti come metano (CH₄), ammoniaca (NH₃), vapore acqueo (H₂O), acido solfidrico (H₂S), anidride carbonica (CO₂) e azoto (N₂) che si erano generati in seguito alle esalazioni vulcaniche e alle piogge.

L'ossigeno era quasi del tutto assente nell'atmosfera e, di conseguenza, anche l'ozono, per cui i raggi ultravioletti del sole arrivavano fino sulla superficie della Terra. Sulla Terra erano presenti anche intensi campi di energia che generavano terremoti, eruzioni vulcaniche e 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. Queste sono molecole costituite primariamente da carbonio, idrogeno e ossigeno, che possono avere strutture anche molto grandi e complesse e una grande variabilità di forme e di caratteristiche.

Circa 4 miliardi di anni fa si verificò 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 (cellule senza nucleo), in cui il materiale che conteneva l'informazione genetica necessaria per replicarsi era libero di fluttuare all'interno delle membrane. I procarioti primordiali erano eterotrofi e anaerobi (vivevano senza ossigeno).

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 hanno invece bisogno, dal punto di vista nutrizionale, di composti organici perché da queste molecole ricavano, dopo la digestione e la successiva demolizione di tali composti, l'energia necessaria alla loro sopravvivenza. Non sono in grado di sintetizzare molecole organiche, se non ci sono muoiono.

Organismi anaerobi e aerobi

Gli organismi possono essere classificati anche a seconda della capacità di vivere in assenza di ossigeno:

• Organismi anaerobi sono in grado di vivere in assenza di ossigeno. Producono energia e le molecole per le funzioni vitali senza utilizzare l'ossigeno.
• Organismi aerobi hanno invece bisogno di ossigeno per svolgere le funzioni cellulari e per produrre energia; se non c'è ossigeno, muoiono.

Fino a 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, le cellule componenti si sono via via più specializzate in funzioni specifiche.

Fotosintesi e ricombinazione sessuale

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

La massa di ossigeno rilasciata dai processi di fotosintesi cambiò la composizione dell'atmosfera, creando lo strato di ozono protettivo dai raggi solari e permettendo lo sviluppo di microorganismi aerobi (che vivono utilizzando l'ossigeno). I microorganismi che vivevano prima solo sui fondali oceanici si spostarono più in superficie, dove l'acqua era raggiunta dalla luce del sole.

Un secondo evento fondamentale nell'evoluzione della vita sulla Terra è stata la comparsa della ricombinazione sessuale, 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 rispetto a quelli prodotti con la riproduzione asessuata, che erano geneticamente uniformi. Le cellule figlie della ricombinazione sessuale erano tutte diverse tra loro 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 delle caratteristiche genetiche vantaggiose alla prole.

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 con una compartimentazione interna (con membrane interne), portando così allo sviluppo delle cellule eucariotiche che possiedono un nucleo e degli organelli.

Attualmente, vi sono diverse teorie sul modo in cui è avvenuto il passaggio da cellule procariotiche a eucariotiche. Una delle più accreditate è la teoria endosimbiontica, formulata verso la fine degli anni Ottanta del secolo scorso dalla genetista statunitense Lynn Margulis: secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi.

Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi, cioè uno scambio reciproco di favori: la cellula più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali, mentre i procarioti avrebbero fornito energia. La teoria viene detta endosimbiontica appunto perché prevede una simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l'uno all'interno dell'altro.

Le caratteristiche della vita

L'unità fondamentale della vita è la cellula e tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule. Ci sono forme di vita molto semplici come gli organismi unicellulari (protozoi) o organismi pluricellulari costituiti da miliardi di cellule specializzate.

• Gli esseri viventi crescono in dimensioni durante la loro vita e si sviluppano.
• 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 fisici o chimici dell'ambiente, come per esempio cambiamenti della luce o della temperatura, della composizione chimica di un terreno. Per rispondere agli stimoli, gli esseri viventi si muovono, anche se non sempre c'è una locomozione (spostamento da un posto all'altro), pensiamo per esempio alle piante. Gli organismi unicellulari si muovono, per esempio, avvicinandosi o allontanandosi dalla luce, oppure muovendo ciglia e flagelli per avvicinare il cibo.
• Tutti gli esseri viventi oggi sulla Terra nascono da organismi preesistenti. Negli organismi unicellulari molto semplici, 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 la produzione di cellule specializzate, 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.

Principi di chimica

Elementi, atomi e tavola periodica

Possiamo definire un elemento come una sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici mediante reazioni chimiche ordinarie. Ad ogni elemento esistente in natura, gli scienziati hanno assegnato un simbolo chimico (la prima o le prime due lettere del nome in inglese): O ossigeno, C carbonio, H idrogeno, N azoto (Natrium), F fluoro.

L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso. È formato da elettroni che si muovono attorno a un nucleo, composto da protoni e neutroni. Protoni, neutroni ed elettroni sono definiti particelle subatomiche.

Nel nucleo è quasi del tutto concentrata la massa dell'atomo. Gli atomi sono particelle piccolissime, il loro diametro si misura in angstrom Å (1 Å = 10^-10 m). Per quanto riguarda le particelle subatomiche, i protoni sono particelle cariche positivamente (1,6 x 10^-19 coulomb) con una massa di 1,66 x 10^-24 g. I neutroni sono particelle neutre, con la stessa massa dei protoni. Gli elettroni hanno una carica elettrica negativa uguale e opposta a quella dei protoni, ed una massa circa 2000 volte più piccola.

Il numero di protoni di un atomo corrisponde al numero atomico, mentre la somma tra numero di protoni e numero di neutroni corrisponde al numero di massa. Gli elettroni esterni al nucleo sono numericamente uguali al numero di protoni, quindi il numero atomico corrisponde anche al numero degli elettroni. In questo modo le cariche elettriche dell'atomo si bilanciano.

Il chimico russo Mendeleev alla fine dell'800 classificò gli elementi in funzione delle somiglianze delle loro caratteristiche chimiche in una tabella nota come il sistema periodico degli elementi, che a seguito di nuove conoscenze chimico-fisiche e la scoperta di nuovi elementi è diventata la tavola periodica che noi oggi utilizziamo.

Gli elementi chimici sono ordinati in riga secondo i rispettivi numeri atomici: 1 per H idrogeno, 2 per He elio, 3 per Li litio, e così via. Le colonne della tavola periodica sono state costruite in modo da raggruppare gli elementi con caratteristiche chimiche simili.

In campo della chimica, la periodicità è la proprietà delle caratteristiche degli elementi che variano con cadenza periodica all'aumentare del loro numero atomico. Questa è detta "legge di periodicità", elaborata da Mendeleev, e determina le suddivisioni in periodi della tavola periodica degli elementi.

La massa atomica

La massa di una particella subatomica è espressa con l'unità di massa atomica o uma. Essa è stata definita come la dodicesima parte della massa dell'atomo di carbonio 12. 1 uma = 1/12 massa carbonio.

La massa del carbonio è data dalla somma delle masse di 6 protoni e 6 neutroni, in quanto protoni e neutroni costituiscono la quasi totalità della massa di un atomo; possiamo infatti considerare la massa dell'elettrone trascurabile. Questo significa che l'uma è molto simile alla massa del protone e del neutrone.

Gli isotopi

La maggior parte degli elementi chimici è costituita da una miscela di atomi che hanno un numero uguale di protoni ed elettroni ma un numero diverso di neutroni e perciò una massa differente. Questi atomi sono detti isotopi (gli isotopi dell'idrogeno sono: idrogeno comune, deuterio e trizio).

La massa/peso di un elemento viene espressa come la media delle masse dei suoi isotopi pesata sulla loro abbondanza relativa (la massa atomica dell'idrogeno non corrisponde a 1 uma ma a 1,0079 uma, perché sono presenti delle piccole quantità di deuterio e trizio).

Dal momento che hanno lo stesso numero di elettroni, gli isotopi hanno quasi sempre le stesse caratteristiche chimiche. Fanno eccezione gli isotopi instabili, che tendono a "rompersi", decadere, emettendo energia: i radioisotopi.

Il carbonio-14 o ¹⁴C è un isotopo radioattivo naturale del carbonio con un nucleo costituito da 6 protoni e 8 neutroni. Ha un'emivita molto lunga (5700 anni) e decade per decomposizione di un neutrone che forma un protone ed un elettrone veloce emesso dall'atomo sotto forma di radiazione β (beta).

Dal momento che i diversi isotopi mostrano le stesse caratteristiche chimiche, sono intercambiabili e sono presenti anche nei tessuti vegetali ed animali. Per questo motivo, alcuni radioisotopi come il ³H (trizio), il ¹⁴C e il ³²P vengono utilizzati a scopi scientifici, ad esempio per la datazione dei fossili. Per la datazione di reperti fossili, infatti, si ricorre al metodo detto del radiocarbonio, con il quale si misura il rapporto tra le quantità del radioisotopo ¹⁴C e del ¹²C stabile presente in un fossile.

Nell'atmosfera, i due isotopi del carbonio sono contenuti in un determinato rapporto, che rimane costante anche negli organismi vegetali, poiché essi fissano il carbonio atmosferico, contenuto nell'anidride carbonica CO₂, attraverso la fotosintesi clorofilliana e negli organismi animali, che assimilano il carbonio attraverso l'alimentazione. Al momento della morte, negli organismi cessa l'assimilazione di sostanze contenenti carbonio; l'isotopo ¹⁴C instabile quindi inizia a decadere, trasformandosi in azoto-14, (¹⁴N) mentre l'isotopo ¹²C non subisce trasformazioni; in conseguenza di ciò, col passare del tempo, il rapporto ¹⁴C/¹²C diminuisce e dal confronto del rapporto nel fossile con quello presente in natura, è possibile risalire all'età del fossile.

I radioisotopi vengono inoltre utilizzati, per esempio, per seguire le vie metaboliche negli organismi come per seguire il metabolismo di un ormone o di un farmaco all'interno del corpo o la presenza di cellule tumorali come nelle tecniche di PET e neuroimaging.

La PET o tomografia ad emissione di positroni è uno degli strumenti diagnostici più innovativi utilizzati molto in campo oncologico e neurologico. Si tratta di una metodica di diagnostica per immagini che consente di individuare precocemente i tumori e di valutarne la dimensione e la localizzazione. L'esame si basa sulla somministrazione di radiofarmaci (spesso sono zuccheri contenenti isotopi radioattivi dell'ossigeno, del carbonio o del fluoro), caratterizzati dall'emissione di particelle chiamate positroni.

Dopo essere stato somministrato per via endovenosa, il radiofarmaco si distribuisce nel corpo del paziente permettendo di ottenere delle immagini diagnostiche che vengono interpretate dai medici specialisti. Uno dei radiofarmaci oggi più utilizzati è il 18FDG (fluorodesossiglucosio) che, introdotto nell'organismo, ha la caratteristica di essere assunto dalle cellule allo stesso modo del glucosio. La gran parte dei processi biologici che richiedono energia necessita di utilizzare il glucosio come substrato, per cui si comprende come un analogo del glucosio, per esempio il 18FDG, possa essere considerato un marcatore di tutti i processi cellulari in attiva proliferazione.

L'aumentata captazione del glucosio da parte delle cellule tumorali è dovuta al fatto che sono in rapida crescita e quindi nelle immagini diagnostiche si vedono degli accumuli del radiofarmaco. Il glucosio, inoltre, rappresenta l'unico substrato energetico del cervello, pertanto questo radiofarmaco è utilizzato anche nello studio del sistema nervoso centrale in numerose condizioni patologiche come le diverse forme di demenza, ad esempio la malattia di Alzheimer o il ritardo mentale, fornendo una mappa metabolica delle diverse aree cerebrali. Da questa mappa metabolica è possibile capire quali aree del cervello sono danneggiate perché non consumano il radiofarmaco.

Orbitali, valenza, etc

Il nucleo carico positivamente occupa una porzione molto piccola dello spazio dell'atomo, mentre la maggior parte del volume dell'atomo è occupata dallo spazio in cui si muovono gli elettroni. Diverse teorie hanno cercato di descrivere la struttura dell'atomo ed in particolare la collocazione degli elettroni attorno al nucleo. La teoria di Bohr presupponeva l'esistenza di orbite in cui gli elettroni si muovevano attorno al nucleo.

Questa teoria è stata superata da quella quanto-meccanica di De Broglie che introduce il concetto di orbitale come zona dello spazio attorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l'elettrone. Oggi sappiamo dalle teorie quantistiche che gli elettroni si muovono attorno al nucleo in regioni dello spazio (nuvole elettroniche) dette orbitali. Ogni orbitale può contenere al massimo 2 elettroni.

In generale, gli elettroni che occupano gli orbitali più distanti dal nucleo, e quindi più esterni, sono più facilmente utilizzabili dall'atomo per formare legami chimici di quelli che si trovano negli strati interni, più vicino al nucleo. Questo succede perché gli elettroni negli orbitali più interni sono trattenuti più fortemente dalla carica positiva rispetto a quelli negli orbitali più esterni.

Gli elettroni dello strato più esterno dell'atomo si chiamano per questo motivo elettroni di valenza, il cui numero e disposizione determinano il comportamento chimico di un elemento.