Biologia molecolare - Appunti

BIOLOGIA MOLECOLARE!

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Origine della vita (Abiogenesi)!

Nelle scienze naturali, l'origine della vita viene ricondotta alla teoria dell'abiogenesi (dal greco a-

bio-genesis, "origini non biologiche"), che studia come la vita sia comparsa e si sia sviluppata sulla

Terra e, ipoteticamente, in altri luoghi dell'universo conosciuto, a partire dal big bang (datato 13,7

miliardi di anni fa) fino ai giorni nostri.!

L'origine della vita sulla Terra è databile entro un periodo compreso tra i 4,4 miliardi di anni fa,

quando l'acqua allo stato liquido comparve sulla superficie terrestre, e i 2,7 miliardi di anni fa

quando la prima incontrovertibile evidenza della vita è verificata da isotopi stabili e biomarcatori

molecolari che mostrano l'attività di fotosintesi.!

Il concetto di origine della vita è stato trattato fin dall'antichità nell'ambito di diverse religioni e nella

filosofia; con lo svilupparsi di modelli scientifici spesso in contrasto con quanto letteralmente

affermato nei testi sacri delle religioni, l'origine della vita è diventato tema di dibattito tra scienza e

fede.!

Dal punto di vista scientifico, la spiegazione dell'origine della vita parte dal presupposto

fondamentale che le prime forme viventi si originarono da materiale non vivente, attraverso

reazioni che, attualmente, non sono più in atto sul nostro pianeta.

L'interrogativo su come si originò la vita sulla Terra si pose soprattutto in seguito allo sviluppo della

teoria della evoluzione per selezione naturale, elaborata in modo indipendente da A.R. Wallace e

da C.R. Darwin nel 1858, la quale suggeriva che tutte le forme di vita sono legate da relazioni di

discendenza comune, attraverso ramificati alberi filogenetici che riconducono ad un unico

progenitore, estremamente "semplice" dal punto di vista biologico.

Il problema era capire come si originò questa semplice forma primordiale, presumibilmente una

cellula molto simile agli attuali procarioti, contenente l'informazione genetica, conservata negli acidi

nucleici, oltre a proteine e altre biomolecole indispensabili alla propria sopravvivenza e

riproduzione.!

Il processo evolutivo che ha portato alla formazione di un sistema complesso e organizzato

(ovvero il primo essere vivente) a partire dal mondo prebiotico è durato centinaia di milioni d'anni,

ed è avvenuto attraverso tappe successive di eventi che, dopo un numero elevato di tentativi e

grazie all'intervento della selezione naturale, hanno portato a sistemi progressivamente più

complessi.

La prima tappa fondamentale è stata la produzione di semplici molecole organiche, come

amminoacidi e nucleotidi, che costituiscono "i mattoni della vita". Gli esperimenti di S. Miller ed altri

hanno dimostrato che quest'evento era realizzabile nelle condizioni chimico-fisiche della Terra

primordiale, caratterizzata da un'atmosfera riducente. Inoltre, il ritrovamento di molecole organiche

nello spazio, all'interno di nebulose e meteoriti, ha dimostrato che queste reazioni sono avvenute

anche in altri luoghi dell'universo, tanto che alcuni scienziati ritengono che le prime biomolecole

siano state trasportate sulla Terra per mezzo di meteoriti.

La questione più difficile è spiegare come, da questi semplici composti organici, concentrati nei

mari in un brodo primordiale, poterono formarsi delle cellule dotate dei requisiti minimi essenziali

per poter essere considerate viventi, cioè la capacità di utilizzare materiali presenti nell'ambiente

per mantenere la propria struttura, organizzazione e potersi riprodurre.!

Molti scienziati hanno cercato di chiarire, attraverso ipotesi ed esperimenti, le tappe fondamentali

che hanno condotto alla vita, tra cui l'origine dei primi polimeri biologici e, tra questi, di una

molecola capace di produrre copie di se stessa, il "replicatore", dal quale derivano i nostri geni, e

la formazione delle prime membrane biologiche, che hanno creato dei compartimenti isolati

dall'ambiente esterno, nei quali si sono evoluti i primi sistemi di reazioni e le prime vie metaboliche

catalizzate da enzimi.

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Modelli correnti dell’origine della vita!

Stromatoliti risalenti al Precambriano nella Formazione di Siyeh Formation, Glacier National Park.

Nel 2002, William Schopf della UCLA pubblicò un controverso articolo sul giornale scientifico

Nature affermando che formazioni geologiche come quelle appartenessero ad alghe microbiche

fossilizzate di 3,5 miliardi di anni fa. Se fosse vero, si tratterebbe della prima forma di vita

conosciuta sulla Terra.!

In verità non esiste un modello standard dell'origine della vita. Tuttavia i modelli attualmente

accettati si basano su alcune scoperte circa l'origine delle componenti molecolari e cellulari della

vita, che sono elencati qui sotto:!

1. Le condizioni pre-biotiche hanno permesso lo sviluppo di talune piccole molecole (monomeri)

basilari per la vita, come gli amminoacidi. Questo fu dimostrato nel corso dell'esperimento di

Miller-Urey da Stanley Miller e Harold Urey nel 1953.!

2. I fosfolipidi (se di lunghezza appropriata) possono spontaneamente formare un doppio strato,

componente base della membrana cellulare.!

3. La polimerizzazione di nucleotidi in molecole casuali di RNA potrebbe aver originato i ribozimi

autoreplicantisi (ipotesi del mondo a RNA).!

4. Una selezione naturale diretta verso una maggiore efficienza catalitica e diversità ha prodotto

ribozimi dotati di attività peptidil trasferasica (di qui la sintesi di piccole proteine), dalla

formazione di complessi tra oligopeptidi e molecole di RNA. Nacque così il primo ribosoma, e la

sintesi proteica divenne più prevalente.!

5. Le proteine hanno superato i ribozimi per abilità catalitica, divenendo quindi i biopolimeri

dominanti. Gli acidi nucleici sono stati limitati ad una funzione prettamente genomica!

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Mondo a RNA!

L'ipotesi del mondo a RNA è una teoria che propone la presenza di forme di vita basate

esclusivamente sull'RNA (acido ribonucleico) prima della formazione degli attuali organismi viventi

basati soprattutto sul DNA (acido deossiribonucleico).!

Secondo tale ipotesi, dal mondo ad RNA si sarebbe poi evoluto il corrente sistema comprendente

anche DNA e proteine, che rispetto al solo RNA presentano notevoli vantaggi in termini di stabilità

e flessibilità.!

Si può riassumere nei seguenti passaggi:!

- Le molecole di RNA, o di un acido nucleico simile, capaci di autoreplicarsi, sarebbero state

catturate da vescicole lipidiche capaci di prodursi e dividersi spontaneamente;!

- Successivamente le protocellule avrebbero imparato a captare e polimerizzare aminoacidi

(proteine);!

- Le proteine avrebbero dapprima cooperato con, e poi sostituito, gli RNA come enzimi;!

- Infine, il DNA si sarebbe sostituito all’RNA come materiale genetico.!

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Cellula procariote, eucariote e virus!

Cellula procariotica: è relativamente piccola. Il plasmalemma è circondato da uno strato di

materiale rigido denominato parete cellulare, essa a volte può essere circondata da un ulteriore

strato di materiale gelatinoso detto capsula. Il plasmalemma svolge buona parte delle funzioni

vitali, la più importante fra queste è quella di trasporto, che consiste nel movimento delle sostanze

dall’esterno verso il citoplasma e viceversa. Molti dei sistemi molecolari deputati all’utilizzo

dell’energia contenuta negli alimenti, sono localizzati a livello della membrana plasmatica. Nei

batteri fotosintetici e nei ciano batteri, le molecole fotosensibili sono associate al plasmalemma ed

alle sue invaginazioni. La membrana plasmatica è anche la sede di particolari è anche la sede di

particolari molecole proteiche, i recettori, in grado di riconoscere e legare chimicamente composti

specifici (ligandi). Il elgame ligando/recettore innesca all’interno della cellula una serie di reazioni

che permettono alla cellula di rispondere adeguatamente alle sollecitazioni ambientali.!

Il nucleotide della cellula procariotica, sospeso direttamente nel citoplasma senza la presenza di

membrane limitanti, appare come una struttura a contorni irregolari che contiene addensanti di

fibre sottili dal diametro variabile. Il nucleotide mostra di contenere una singola molecola di DNA

circolare.!

Il citoplasma al microscopio appare elettron-denso, questa opacità è attribuita alla presenza dei

ribosomi. Essi contengono più di 50 proteine differenti in combinazione con vari tipi di acidi

ribonucleico (RNA); rappresentano i siti cellulari dove gli amminoacidi vengono assemblati a

costituire le proteine.!

Nel citoplasma sono presenti anche vescicole o vacuoli la cui parete è formata da una singola

membrana continua. Molti tipi di batteri possono muoversi rapidamente grazie al flagello filiforme.!

Cellula eucariotica: è un complesso di membrane che separa l’ambiente cellulare da quello

esterno, e concorre a definire morfologicamente la regione nucleare e suddivide il citoplasma in

compartimenti distinti detti organelli. La membrana plasmatica è depositaria di molteplici funzioni,

tra cui la funzione di trasporto. Il plasmalemma, negli eucarioti, alloggia un gran numero di proteine

a funzione recettoriale. Molti di questi recettori sono connessi a sistemi biochimici interni che

vengono attivati non appena il recettore si complessa con il suo specifico ligando. Le proteine

sanno riconoscere e aderire a specifiche molecole presenti sulla superficie di altre cellule, questa

capacità è cruciale nello sviluppo e nel mantenimento dei tessuti e degli organi proprio degli

animali pluricellulari. Altre proteine costituiscono marcatori che sono in grado di identificare le

cellule come parte di uno stesso individuo o come strutture estranee. In contrasto con i procarioti, il

plasmalemma degli eucarioti non contiene molecole implicate nel metabolismo energetico od in

grado di convertire l’energia luminosa in energia chimica.!

Virus: sono delle unità più semplici delle cellule e possono invadere le cellule e sovvertire il loro

apparato sintetico. Queste unità nella loro forma libera ed infettante sono costituita da un involucro

proteico che circonda una o più molecole di acido nucleico. L’acido nucleico virale, una volta

inserito nella cellula ospite, è in grado di convertire quest’ultima in un “fabbrica” tesa

all’assemblaggio ed alla propagazione di particelle virali simili a quella che avevano provocato

l’infezione. !

Struttura virale: l’acido nucleico di una particella virale isolata, sia esso DNA o RNA, rappresenta il

cosiddetto core del virus. Lo strato proteico esterno viene detto capside o involucro virale.!

Alcuni virus, come quelli che causano l’AIDS, l’influenza e l’herpes nella specie umana, mostrano