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 appunto quelli che sono i mattoncini che costituiscono le cellule. Quindi nel

nostro pianeta si è evoluto in un certo modo, ma forse anche da altri 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, atre 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.

Quindi le due cose che sono state necessarie:

1. 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

2. 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

richiedere bene 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

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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:

I. Il DNA

II. L’RNA

III. 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 si 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 perchè ha in se 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 inverse.

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.

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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 se 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 si 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 DNApolimerasi..), quindi meno muta e

meglio è. Questo va a discapito anche agli enzimi che lavorano sul DNA, come le

DNApolimerasi, che necessitano di un primer (frammento di innesco) che serve per iniziare la

polimerizzazione, mentre le RNApolimerasi sono in grado di polimerizzare senza un primer.

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Co tali enzimi sono meno fedeli rispetto alle DNApolimerasi che utilizzano il primer, però una

mutazione indotta dalle RNApolimerasi non viene fissata sull’RNA, mentre una mutazione

indotta dalle DNApolimerasi 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.

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.

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 intracellulare (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; poi 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. 4 di 11

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.

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 soprattuto 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 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 tridimensionale 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. 5 di 11

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. Perchè 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, perchè 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

appunto 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 sopratutto cera tanta acqua bollente (senza

il solvente si fa poco!). 6 di 11

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, perchè 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 generi

si formi la stessa cosa). Successivamente si può pensare che tra queste famiglie