Biologia molecolare - Appunti

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

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.

Teoria scientifica dell'origine della vita

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 dell'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.

Ipotesi sul processo prebiotico

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.

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:

• 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.
• I fosfolipidi (se di lunghezza appropriata) possono spontaneamente formare un doppio strato, componente base della membrana cellulare.
• La polimerizzazione di nucleotidi in molecole casuali di RNA potrebbe aver originato i ribozimi autoreplicantisi (ipotesi del mondo a RNA).
• 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.
• 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.

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.

Cellula procariote, eucariote e virus

Cellula procariotica

La 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 cianobatteri, le molecole fotosensibili sono associate al plasmalemma ed alle sue invaginazioni. La membrana plasmatica è anche la sede di particolari molecole proteiche, i recettori, in grado di riconoscere e legare chimicamente composti specifici (ligandi). Il legame 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

La 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

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 una "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 capsidi circondati da una membrana di derivazione cellulare. Questi virus sono conosciuti come virus con involucro.

Modalità di svolgimento dell'infezione virale

In forma isolata le particelle virali sono incapaci di movimento indipendente. Esse vengono mosse, in maniera casuale, dalle collisioni molecolari, fino all'incontro con la specifica cellula ospite.

L'infezione virale nei batteri: durante l'infezione di una cellula batterica ad opera di un batteriofago munito di coda, la collisione casuale di una particella virale con la cellula ospite è, immediatamente, seguita dall'instaurarsi di uno stretto legame tra le fibre della coda e le molecole "bersaglio", situate sulla parete batteria. La testa e la guaina proteica si contraggono provocando l'iniezione del core di DNA all'interno della cellula batterica. Le componenti proteiche del virus rimangono all'esterno della struttura cellulare infettata. Una volta entrato nella cellula batterica, una parte del DNA virale viene immediatamente trascritta da parte degli enzimi batterici. I primi mRNA virali prodotti dirigono i ribosomi batterici alla sintesi di alcune molecole proteiche di natura enzimatica. La cellula batterica si trova, questo punto, indirizzata alla produzione di DNA virale e continua la sua sintesi fino a quando molte copie di questo acido nucleico sono state prodotte. Quando i capsidi sono assemblati, il DNA virale neo-sintetizzato si inserisce nelle teste ed infine teste e code si uniscono a formare particelle fagiche complete. Il processo infettivo termina con la produzione di una molecola proteica in grado di lisare la parete batterica permettendo il rilascio dei virus neoformati nel mezzo circostante.

Teoria endosimbiontica

L'endosimbiosi è la relazione biologica definita dalla teoria endosimbiotica (anche chiamata teoria endosimbiontica o teoria dell'endosimbionte) che riguarda le origini di alcuni organismi. L'ipotesi è che alcuni organismi biologici furono ingeriti da altri organismi e poiché ne trassero un vantaggio evoluzionistico di sopravvivenza reciproco, svilupparono una relazione simbiotica permanente che nelle generazioni è divenuta indissolubile e imprescindibile; come esempio viene postulato che, nel passato remoto del Precambriano, un batterio aerobico (che richiede ossigeno) fu ingerito da un batterio anaerobio (possibilmente avvelenato da ossig