Biologia Molecolare Prof.ssa Magnelli

Biologia molecolare

Evoluzione ed organismi viventi

Tutto quello che si è evoluto, si è evoluto per soddisfare le necessità di un organismo vivente (il cui scopo fondamentalmente è quello di riprodursi) sottoposto ad una pressione selettiva. Tale pressione selettiva può agire su un individuo, su una specie, ma anche sulle molecole e sulle cellule. La pressione evolutiva quindi inizialmente ha agito sulle molecole, ci sono voluti miliardi di anni prima di mettere a punto quelli che sono i mattoncini che costituiscono le cellule.

Quindi nel nostro pianeta si è evoluto in un certo modo, ma forse anche da altre parti, in quanto gli atomi sono gli stessi in tutto l’universo, una specificità, delle diverse molecole biologiche, nello svolgere al meglio determinate funzioni piuttosto che altre. Quindi con l’evoluzione alcune molecole si sono specializzate per svolgere delle funzioni, altre invece si sono specializzate per svolgere precise funzioni.

Se si va a vedere quando è comparsa la prima cellula e quando sono comparsi gli organismi pluricellulari non è passato moltissimo tempo; il lasso di tempo più ampio è stato per passare dai procarioti agli eucarioti, dopo di che si è trattato di mettere insieme le cellule per fare gli organismi pluricellulari.

Un essere vivente sostanzialmente deve andare contro madre natura, in quanto l’universo tende al caos, l’entropia aumenta, quindi le molecole tendono a disperdersi nelle forme a più bassa energia possibile. Invece la vita fa esattamente il contrario, cioè cerca di portare ordine e per portare ordine, in un universo che tende al caos, bisogna spendere un sacco di energia.

Quindi quello che ha regolato lo sviluppo delle molecole è proprio questa necessità di fare in tempi brevissimi, delle reazioni che sono altamente sfavorite dal punto di vista energetico, cioè avverrebbero comunque, anche se non si facesse niente, però una variazione che nel nostro organismo deve avvenire in un millisecondo, magari in natura ci vorrebbero milioni di anni e questo è incompatibile con la vita.

Necessità evolutive

Quindi le due cose che sono state necessarie:

• La capacità di replicare se stesso, quindi portare avanti la propria fitness (probabilità di avere una propria discendenza), quindi le molecole che sono in grado di replicarsi vincono su quelle che non lo possono fare, quindi c’è una pressione selettiva verso questa capacità di avere informazione per fare copie di se stessi.
• L’altra cosa è che per passare dal disordine, all’ordine ci vuole tanta energia ed è questa energia che mi permette di fare reazioni che termodinamicamente sono sfavorevoli e questo può essere fatto anche grazie ai catalizzatori, che sono degli enzimi, delle molecole che si sono specializzate nel creare delle micronicchie (sito catalitico), all’interno di loro stessi, che sono in grado di aumentare di migliaia di volte la velocità di reazione quindi di favorire reazioni, che non avverrebbero mai, in tempi brevissimi (attenzione l’enzima non catalizza reazioni termodinamicamente sfavorite, in quanto abbassa solo l’energia di attivazione di una reazione termodinamicamente favorita, quindi spontanea, soltanto che per avvenire richiederebbe molto tempo).

L’ATP permette di favorire reazioni che da sole non potrebbero mai avvenire; la stessa ATP per formarla prevede reazioni termodinamicamente sfavorite, in quanto è necessario formare legami covalenti tra gruppi fosfato, e senza energia questo non sarebbe possibile (ATPsintasi e gradiente protonico). L’enzima alla fine della reazione è di nuovo pronto per la reazione successiva.

Le biomolecole

Nell’evoluzione le molecole che hanno vinto la corsa per la vita sono:

• Il DNA
• L’RNA
• Le proteine

Queste molecole si sono evolute, in modo da portare avanti l’informazione genetica da individuo a individuo. Dall’altra parte le proteine che si sono specializzate, non solo come catalizzatori, ma per fare tutto, nel senso che se si pensa al DNA, che è una molecola molto inerte, che sta nel nucleo, a meno che non ci sia un segnale che attivi il DNA, ma alla fine sono le proteine che attivano o disattivano regioni di DNA.

L’RNA invece è una bestia di mezzo perché ha in sé la possibilità di portare l’informazione genetica, solo che è molto più attivo del DNA, infatti assume strutture secondarie ed è meno stabile e quindi l’RNA si è evoluto per fare altre cose.

Il flusso dell’informazione genetica

Il DNA contiene tutta l’informazione genetica che viene utilizzata per produrre le proteine, utilizzando come intermedio di stampo l’RNAm, trascritto sulla base dell’informazione contenuta nel DNA. Questo è il Dogma centrale della biologia. Poi ci sono delle eccezioni come i retrovirus, i quali sono in grado di retrotrascrivere, tramite la trascrittasi inversa.

I virus si sono evoluti insieme alle cellule, saltellando un po’ ovunque nel brodo primordiale e infatti ci danno informazioni, quindi possiedono degli antichi ricordi tramite i quali possiamo capire come era il mondo prima che le 3 macromolecole si fissassero con le loro funzioni. La trascrittasi inversa infatti ci dice che non sempre il flusso è stato monodirezionale come lo conosciamo ora. Infatti probabilmente prima si passava da RNA a proteine, poi è stato aggiunta la retrotrascrizione a DNA, in quanto molecola più affidabile nel mantenimento dell’informazione genetica.

La prima biomolecola

La vita richiede Autocatalisi, cioè fare delle reazioni che portano in maniera diretta o indiretta alla produzione di molecole identiche a se stesse. Quindi quale è la prima biomolecola che si è evoluta, non è che si possono essere evolute tutte insieme e quindi come mai la selezione naturale ha scelto il DNA e le proteine come manovali e l’RNA come facente un po’ di tutto?

I catalizzatori più versatili sono le proteine, che hanno una struttura primaria (sequenza di amminoacidi), però non sono in grado di autoreplicarsi, quindi loro non possono essere state le molecole che erano in grado di replicare se stesse. Quindi si scartano le proteine. Poi abbiamo dall’altra parte RNA e DNA che sono poliribonucleotidi e polideossiribonucleotidi, la differenza tra loro è piccola, un H in più rispetto ad un OH. Questa piccola differenza però porta con sé un enorme differenza nelle funzioni che svolgono e nel modo in cui vengono svolte.

Gli acidi nucleici portano l’informazione genetica e sono in grado di autoreplicarsi (grazie all’accoppiamento delle basi complementari). Quindi loro portano l’informazione che permette loro di replicarsi, però deve esserci qualcuno in grado di farglielo fare.

La molecola che è stata scelta per immagazzinare l’informazione genetica è il DNA. È una molecola piuttosto pigra. Infatti potremmo dire che la vediamo attiva solo durante la replicazione, mentre nel resto dell’interfase, vediamo solo che viene aperta o chiusa da altre molecole. Non tutto il DNA viene trasformato in proteine, ci sono regioni che vengono solo trascritte e altre che non vengono mai trascritte.

Le regioni codificanti, nel nostro genoma, sono meno del 2%, tutto il resto si pensava fosse DNA spazzatura, invece in tutta questa parte ci sono alcuni introni (che hanno comunque una funzione nella difesa da mutazioni e nello splicing alternativo) che contengono informazione (es: i Miltroni).

La piccola differenza tra l’RNA e il DNA, causa a quest’ultimo di prendere una forma a doppia elica, estremamente stabilizzata, e tale molecola non viene fatta lavorare troppo e quindi è molto inerte, e questo fa sì di avere la molecola più giusta per impedire una eccessiva frequenza di mutazione. Una mutazione comporta una alterazione di un informazione (dipende da che regione colpisce, se colpisce la regione codificante la DNA polimerasi..), quindi meno muta e meglio è. Questo va a discapito anche agli enzimi che lavorano sul DNA, come le DNA polimerasi, che necessitano di un primer (frammento di innesco) che serve per iniziare la polimerizzazione, mentre le RNA polimerasi sono in grado di polimerizzare senza un primer.

Co tali enzimi sono meno fedeli rispetto alle DNA polimerasi che utilizzano il primer, però una mutazione indotta dalle RNA polimerasi non viene fissata sull’RNA, mentre una mutazione indotta dalle DNA polimerasi viene fissata per sempre, e questa mutazione/nuova sequenza viene portata avanti dal DNA. Dunque una mutazione può portare a dei vantaggi e quindi per questo, tra tutti gli altri motivi, è stato scelto il DNA al posto dell’RNA da parte di tutti gli organismi.

Scelta del DNA

La scelta del DNA, come molecola portatrice dell’informazione, è stata fatta agli albori della cellula, in quanto tutte le cellule possiedono un genoma a DNA (i virus possono avere un genoma ad RNA, ma non sono considerati esseri viventi), dopo di che le cellule si sono differenziate in procarioti, eucarioti, piante etc. Questo può far pensare che questa si sia sviluppata per prima. Però il dubbio nasce non appena si pensa alla replicazione del DNA, infatti il problema è che per fare la replicazione del DNA necessita di altre molecole, in particolare la cooperazione di un sacco di enzimi, e ciò va sfavore dell’ipotesi che il mondo iniziale fosse a DNA.

Inoltre, un altro punto a sfavore dell’ipotesi del mondo a DNA, è che da un punto di vista di biosintesi, i deossiribonucleotidi vengono formati dopo i ribonucleotidi. Quindi i ribonucleotidi precedono i deossiribonucleotidi. Poi se si va a vedere i virus, che hanno saltato un po’ ovunque il brodo primordiale, ce ne sono alcuni che al posto della desossiTimina hanno il desossiUracile, quindi non un T-DNA, ma un U-DNA, cioè una molecola di DNA, in cui al posto della desossiTimina troviamo il desossiUracile. Tutto ciò fa pensare che ci fosse un’epoca in cui i ribonucleotidi fossero i preferiti.

Funzioni dei ribonucleotidi

I ribonucleotidi si trovano in tutte le cellule e svolgono tante funzioni, per esempio; svolgono la funzione di deposito di energia, sotto forma di ATP (che tutte le cellule utilizzano); poi partecipano ad attività metaboliche sotto forma di coenzimi (NAD e FAD, coA sono tutti coenzimi nucleotidici); poi costituiscono una componente dei cosiddetti secondi messaggeri, che sono molecole che trasmettono le informazioni, transitano tra proteine e proteine, per modificare processi intracellulari (cAMP per esempio), alcune volte anche a modificare l’espressione genica stessa; poi come tRNA, rRNA, mRNA, contribuiscono alla formazione delle proteine; poi alcuni RNA possono avere un’attività di tipo catalitico, quindi una funzione enzimatica, i Ribozimi.

I deossiribonucleotidi derivano dai ribonucleotidi, infatti è più probabile che il mondo sia passato dai ribonucleotidi ai deossiribonucleotidi che non il viceversa; e inoltre la sintesi di DNA dipende dalla presenza di PRIMER che sono generalmente costituiti da RNA.

Quindi tutto ciò ci fa pensare che l’RNA è una molecola che ha delle caratteristiche un po’ nel mezzo tra le proteine e il DNA; come il DNA ha la possibilità di portare l’informazione genetica e come le proteine ha la possibilità di ripiegarsi per dare delle regioni di tipo catalitico.

RICORDA: l’appaiamento tra le basi in un RNA è causato dalla presenza di sequenze pseudopalindromiche più o meno lunghe all’interno di una molecola di RNA, tali strutture poi influiscono nell’espressione genica, infatti intervengono durante i meccanismi di traduzione e di trascrizione, etc.

Mondo ancestrale a RNA

Ci sono un sacco di indizi per cui evolutivamente l’RNA ha preceduto il DNA; quindi un mondo ad RNA ha preceduto il mondo a DNA. Dunque la prima molecola che è stata scelta dall’evoluzione (e ci è voluto tantissimo tempo prima che apparisse) è l’RNA.

Quando furono scoperti i ribozimi, molecole di RNA con proprietà catalitiche, poi sono stati scoperti anche i riboswitch, interruttori fatti di RNA, presenti soprattutto nei batteri e hanno una porzione di RNA non codificante, seguita da una porzione di RNA codificante. Questa regione non codificante si ripiega a dare una struttura tridimensionale ben precisa. Quando il procariota incontra una molecola precursore tipico, quindi di una molecola di cui ha bisogno, per esempio il precursore di un amminoacido, questa piattaforma lo riconosce, l’interazione, produce un cambiamento conformazionale nel riboswitch che fa partire la trascrizione della regione codificante (del riboswitch); tale regione codificante codifica per un enzima che serve a elaborare questa molecola ha trovato a disposizione.

Quindi praticamente abbiamo una molecola di RNA che ha una funzione doppia, da una parte riconosce il substrato, dall’altra presenta l’informazione per produrre la proteina che servirà ad elaborare il substrato; quindi nella stessa molecola sono condensate due funzioni.

L’RNA proprio perché è una molecola inquieta, grazie al gruppo ossidrile in più che presenta rispetto al deossiribonucleotide, può assumere strutture tridimensionali che gli permettono di svolgere attività catalitiche, cioè funzionano come fossero degli enzimi: un esempio è portato dallo SPLICING autocatalizzato da alcuni introni (c’è una guanina o un’adenina particolarmente reattivi, che tendono spontaneamente a delle strutture Cappio che si staccano dall’RNA senza l’intervento di un enzima). Tutto ciò insomma fa dedurre che il mondo ancestrale fosse a RNA.

Evoluzione delle biomolecole

Quindi quello che è stato ipotizzato è che ci fossero dei protogenomi, delle molecole di RNA capaci di autoreplicazione (portatrici di informazione) e allo stesso tempo con capacità catalitiche (reazioni semplici ovviamente). Basta questo per poter vincere su molecole che non sono in grado di replicarsi.

Ma per fare una molecola di RNA in un mondo abiotico, non è cosa facile. Perché bisogna supporre che ci fosse una situazione in cui i ribonucleotidi si formassero spontaneamente, senza enzimi quindi; ma la sintesi dei ribonucleotidi non è per niente semplice nemmeno con gli enzimi; il meccanismo molecolare è molto complesso. Quindi bisogna chiedersi come possono formarsi i ribonucleotidi in assenza di enzimi, perché la formazione di un ribonucleotide è composta da reazioni termodinamicamente sfavorite da un punto di vista energetico, poi per poter fare una collana di ribonucleotidi si devono formare dei legami 3’OH-5’P e questa formazione si doveva formare in un ambiente in cui l’atmosfera era un ambiente riducente, quindi c’erano sicuramente reazioni che potevano competere con la formazione di quest’asse fosfodiesterico e quindi l’avrebbero sfavorito.

Per cui quello che è stato fatto dai biologi evoluzionistici è che hanno cominciato a mettere a punto delle molecole, che assomigliavano ai ribonucleotidi, e che si potevano formare in quell’ambiente e le hanno messe nell’ambiente primordiale. Quindi quello che hanno ipotizzato è che ci fosse stato un modo simile a quello ad RNA, quindi un mondo a PRE-RNA e che piano piano queste molecole evolvendosi, hanno acquisto capacità di catalisi via via più complesse, fino a poi saper catalizzare la formazione di ribonucleotidi, quindi di RNA veri e propri.

Formazione delle prime biomolecole

Dunque le prime biomolecole come possono essersi formate in assenza di biocatalizzatori? In quel periodo non c’era ossigeno, ma c’era metano, c’erano solfuri, tutta roba molto riducente, non c’erano amminoacidi, se non qualcuno, (qualche amminoacido si può formare anche in assenza di catalizzatori), c’era il CO, l’ammoniaca, ma soprattutto c’era tanta acqua bollente (senza il solvente si fa poco!).

Bisogna inoltre pensare che nella terra primordiale c’erano delle regioni, in cui erano presenti metalli pesanti, come il ferro, il nichel, che sono in grado di catalizzare reazioni abbastanza semplici, tipo catalizzare la formazione dell’acido acetico a partire da composti inorganici molto semplici. Un altro catalizzatore poteva essere le argille, le quali formano degli strati che sono carichi negativamente e attraverso cationi bivalenti si possono legare dei nucleotidi, tramite il gruppo fosfato, e in questo modo permettevano di tenere vicine le molecole (in particolare i ribonucleotidi) e la vicinanza favorisce la reattività tra le molecole stesse, e quindi in generale la vicinanza permette di aumentarne la reattività (questa è la catalisi, la vicinanza abbassa l’energia di attivazione, inoltre tra questi strati si potevano fermare molecole di acqua che fungevano da solvente), ovviamente la catalisi non avveniva in minuti, ma in milioni di anni, poi via via che le prime molecole si affermano grazie alla loro capacità di replicarsi si crea un ambiente dove la pressione selettiva ha più possibilità di agire e di modificare, poi il grosso si avrà con la comparsa degli organismi fotosintetici, i quali hanno cambiato radicalmente la composizione dell’atmosfera introducendo l’Ossigeno e poi da quel punto in poi le cose sono diventate molto più semplici, perché si è creato un ambiente favorevole alla vita (che per ora stava in acqua). Inoltre le argille favoriscono la formazione di micelle, piccole “vescicole cave” in cui si formava un microambiente tale per cui veniva favorito la formazione di famiglie di RNA (non si può pensare che in ambienti del genere si formi la stessa cosa).