Fondamenti neurobiologici e genetici

Prima lezione 06/10/2020

Organizzazione della materia vivente

Daniela Tavian - l’esame orale non è obbligatorio. In tutto l’universo la materia dinamica è sottoposta a delle leggi, nel nostro universo tutto tende spontaneamente ad andare dall’ordine al disordine, legge della natura. Negli organismi viventi queste legge viene in parte non seguita. Gli organismi viventi hanno un livello di organizzazione delle strutture incredibile, la materia vivente ha trovato un modo per sviare temporaneamente a queste leggi della termodinamica. Ognuno di noi deriva dallo zigote che andrà incontro a molte divisioni cellulari finché non si formerà l’embrione.

All’inizio della vita questa organizzazione si sviluppa e viene mantenuta per tutta la vita accrescendosi, poi arriviamo nella fase adulta in cui i tessuti danneggiati vengono rimpiazzati e l’ordine viene mantenuto. Verso la vecchiaia un po’ di ordine inizia ad essere perso, ma appena il fenomeno vita abbandona il soggetto tutte le cellule vanno verso la degradazione, in poche ore l’ordine viene perso.

La materia vivente è caratterizzata da un ordine e organizzazione elevata e finché è vivente sfugge alla legge della termodinamica. Questo ordine viene anche perpetuato nel tempo attraverso la riproduzione. Gli organismi viventi fanno tutto questo grazie ad un'energia che entra a far parte dell’organismo stesso, la vita è legata ad un flusso continuo di energia in entrata e in uscita. Gli organismi viventi usano l’energia chimica.

Organismi autotrofi ed eterotrofi

Ci sono due grandi classi: organismi autotrofi (producono il cibo da soli) - piante, e organismi eterotrofi (prendono i composti organici dall’esterno) - uomini. Entrambi utilizzano l’energia chimica. Gli organismi autotrofi sono fotosintetici, dotati di un pigmento, la clorofilla, che può catturare i fotoni di luce. Gli elettroni del guscio di valenza catturano i fotoni di luce. Con l’energia luminosa catturata alcune delle molecole di CO₂ possono essere unite e formare una molecola di glucosio (composto organico). Le piante utilizzano questi composti come nutrimento.

Le piante possono essere usate come nutrimento dagli eterotrofi che ingeriranno dei composti organici, scindendoli otterranno l’energia per la vita. Gli eterotrofi introducono dei composti organici che sono contenuti in piante o animali. L’importanza degli autotrofi ed eterotrofi è un ciclo: i composti degli uni formano i nutrimenti degli altri.

Il ruolo dell'alimentazione

Dall’alimentazione otteniamo l’energia per lavorare, muoverci, studiare, per tutte le azioni... c’è anche una quantità di energia di base per far funzionare le nostre cellule, anche se rimanessimo immobili. Il nutrimento per noi non è soltanto energia, gli alimenti sono anche un fornimento di materiali per la crescita dell’organismo vivente o per la sostituzione dei tessuti danneggiati.

Noi ingeriamo i monomeri di base delle proteine assunte; questi amminoacidi di base vengono usati per la produzione delle proteine umane. Non possiamo mirare al cibo solo sulla quantità delle calorie, non è solo quello, dobbiamo pensare di introdurre nel nostro organismo tutti gli elementi nutrizionali essenziali. C’è il livello energetico e il livello strutturale.

Dobbiamo stare attenti anche alla qualità del cibo che ingeriamo perché entrerà a far parte di noi. Molti dei nostri cibi non hanno una valenza strutturale, ma solo funzionale, come le vitamine. Servono alcuni microgrammi di vitamine al giorno, sono elementi essenziali alla vita. Tutte le vitamine servono alle cellule per determinate reazioni biochimiche. Gli enzimi non funzionano se non hanno dei coenzimi (tutto il gruppo delle vitamine B per esempio).

Tutte le vitamine le dobbiamo guadagnare, è importante mangiare in modo variegato, in modo corretto. Dalle vitamine non otteniamo l’energia, hanno un ruolo di accensione del metabolismo energetico, le vitamine hanno un ruolo squisitamente funzionale.

Alimentazione vegana e carenze

Coloro che sono vegani escludono qualsiasi forma animale, in quel caso mancano delle vitamine come la B12, ci saranno delle conseguenze dopo anni oppure se una vegana aspetta un bambino, nel bambino la carenza si vedrà subito. Sul sistema nervoso i danni sono irreversibili. I vegani devono compensare con la B12 prendendola in farmacia (è comunque un composto ottenuto dagli animali).

Nell’uomo la nutrizione assume ulteriori valori, per esempio mangiare insieme o mangiare da soli. Per alcune persone diventa ricatto, non è più istinto. Per esempio pensare all’anoressia. C’è proprio una biologia dell’uomo, il cibo ha assunto molti valori in più per l’uomo rispetto alla sopravvivenza. Per esempio pensare anche ai figli che non mangiano per attirare l’attenzione. Citazione, fine della lezione nelle slide (10:33) Se non vi è lo spirito umano non è possibile nutrire l’uomo.

Seconda lezione

La scienza e il metodo scientifico

Scienza: una forma del sapere umano caratterizzata da un metodo che ha due requisiti fondamentali: rigore e l’oggettività. Ciò che muove l’uomo di scienza è sempre lo stupore e la curiosità; Aristotele diceva che gli uomini hanno cominciato a filosofare a causa della meraviglia. Aristotele appunto dice: vi sono diverse discipline del sapere umano che hanno utilizzato il metodo scientifico per raccogliere delle conoscenze e vengono riconosciute come scienze.

• Scienze matematiche: algebra, geometria
• Scienze fisiche: fisica, chimica, biologia
• Scienze umane: psicologia, sociologia.

Il metodo scientifico

È un percorso costituito da varie tappe che ci permette di avere un’informazione dal carattere scientifico. Quando non si utilizza un metodo scientifico si possono avere delle intuizioni in merito alle diverse discipline, ma non sarebbero state ottenute in base a questo metodo, ma con un metodo esperienzale diretto - mia madre mi vuole bene.

Tappe del metodo scientifico

1. Osservazione di un fenomeno: Attenta, curiosa, senza pregiudizi di un fenomeno che si osserva in natura. Pensare a Newton che era seduto sotto ad un albero immerso nei suoi pensieri ed è caduta una mela dall’albero e lui ha iniziato a pensare alla caduta degli oggetti dall’alto verso la terra, ha iniziato a pensare ad una legge per spiegare il problema.
2. Definizione corretta del problema: Come mai avviene il fenomeno del problema x nelle condizioni y?
3. Formulazione di una o più ipotesi di soluzione del problema: Iniziamo a fare dei tentativi logici per trovare una risposta al problema che ci siamo posti, ne vengono formulate diverse che verranno poi aggiornate, modificate o scartate sulla base della loro evidenza o inevidenza nei dati sperimentali acquisiti.
4. Verifiche delle ipotesi: Dobbiamo verificare qual è l’ipotesi corretta e confutare le altre.
5. Conclusione o proposta di una teoria scientifica: La verifica è sempre sperimentale e ci permette di arrivare ad una conclusione. Quando siamo sicuri si scrive chiaramente la teoria scientifica/la legge/osservazione scientifica a cui si è arrivati con certezza. Le teorie scientifiche nel tempo non sono assolute in quanto le conoscenze e la potenza degli strumenti è sempre maggiore, alcune teorie scientifiche sono state integrate dalle nuove conoscenze, vedremo cosa è successo per il dogma centrale della biologia.
6. Comunicazione alla comunità scientifica: È una tappa fondamentale perché quando un ricercatore ha ottenuto un risultato, questa conclusione deve essere resa pubblica. La dimensione della conoscenza scientifica è fondamentale per due ragioni:
   • Per l’oggettività della ricerca = lo scriviamo e lo pubblichiamo per una rivista di carattere nazionale o internazionale, dobbiamo spiegare passo dopo passo come siamo arrivati a quella conclusione in modo che tutti gli altri ricercatori possano ottenere lo stesso risultato.
   • Se questi risultati non sono riottenuti, questa ipotetica scoperta in realtà non lo è affatto.

È importante in quanto negli ultimi anni ci sono state delle persone che sostenevano di ottenere delle cure su delle malattie, ma non erano fatte col metodo scientifico e mai sottoposte ad un buon controllo. Alcune persone, dicendosi scienziati, hanno asserito di poter guarire delle malattie utilizzando una sperimentazione non scientifica. I passaggi della ricerca non sono stati resi noti e le persone che si sono affidate a questo metodo hanno avuto un’amara sorpresa. La valutazione se una teoria può essere pubblicata su una rivista o meno viene fatta da altri scienziati in tutto il mondo alla cieca, sanno cosa stanno valutando, ma non sanno chi stanno valutando.

Esempio di ricerca scientifica di Griffith, 1928

Il diplococco pneumoniae, un batterio, organismo procariote e unicellulare. Esistono due tipi:

• R = rough, mettendosi vicini su una superficie liscia formano una superficie rugosa.
• S = smooth, formano delle colonie con una superficie molto liscia.

Questa differenza è caratterizzata dalla presenza o meno della capsula polisaccaridica (presente negli S, assente negli R). I ceppi di tipo R non sono virulenti, gli S si. (Per i topi tutto ciò) Batteri all’interno della beuta. Evidentemente i batteri di tipo R hanno acquisito qualcosa da quelli S anche se erano morti. I risultati sperimentali di Griffith servirono per un punto di partenza per altri esperimenti fatti dagli altri tre sempre nella trasformazione di batteri non virulenti in virulenti.

1. Osservazione

Partono dai risultati ottenuti da Griffith, un tipo di batterio si possa trasformare in un altro tipo di batterio. Qual è la macromolecola che passa e li trasforma?

2. Definizione del problema

Capire qual è la natura chimica del principio trasformante che passa dai ceppi di tipo S a quelli di tipo R.

3. Ipotesi

All’interno dei batteri ci sono diversi tipi di macromolecole:

• A. Acido desossiribonucleico (DNA)
• B. Un acido ribonucleico (RNA)
• C. Una proteina
• D. Un polisaccaride

Viene evidenziato come sia il DNA la causa della trasformazione, ma anche che in presenza di un enzima che scinde il DNA in piccoli nucleotidi (la desossiribonucleasi appunto) tale trasformazione non avviene.

4. Conclusione

• A. La molecola di DNA, integra nella sua struttura, contiene le informazioni e può trasformare dei batteri non patogeni in patogeni.
• B. La trasformazione è permanente ed ereditaria.

5. Comunicazione scritta

Nel Journal of Experimental Medicine, 1943.

Esempio attuale

Pazienti che hanno la sindrome di Rett, sindrome neurodegenerativa. Studio della correlazione tra la mutazione del gene MECP2 e il profilo clinico delle pazienti con sindrome di Rett. È stato fatto in Cattolica qualche anno fa.

1. Osservazione

A. Le mutazioni del gene MECP2 causano l’insorgenza e lo sviluppo di una sindrome, la sindrome di Rett. Colpisce prevalentemente le bambine, una ogni 10.000 nate vive. È stata osservata anche l’eterogeneità genetica e identificate mutazioni patogenetiche anche nei geni CDKL5 e FOXG1.

B. Dal punto di vista clinico la sindrome di Rett è molto eterogenea, possono essere descritte almeno cinque diverse modalità di presentazione della patologia e anche un decorso differente.

2. Definizione del problema

Quali sono i fattori della diversità nelle caratteristiche cliniche? (Tipo, gravità, insorgenza) Esiste uno strumento adeguato a rilevare e misurare i diversi gradi di disabilità delle pazienti con sindrome di Rett?

3. Ipotesi

• - Mutazioni diverse localizzate lungo i vari domini della proteina MECP2 ed identificate nelle pazienti responsabili dei diversi profili clinici.
• - Il gruppo degli psicologi creò la RARS (Rett Assessment Rating Scale), è uno strumento adatto a esprimere la varietà e la severità delle aree sintomatiche delle pazienti con la sindrome di Rett.

4. Verifica sperimentale

Per ciascuna paziente è stato analizzato l’intero gene e trovata una mutazione “privata”, essendo un gene molto lungo ci sono tanti possibili tipi di mutazioni che possono aver luogo. Sono comunque state trovate delle mutazioni missenso (sostituiscono un unico aminoacido) ricorrenti. La RARS comprendeva l’area sensoriale, cognitiva ecc.. A queste domande non rispondevano le pazienti, mai parenti. A destra è presente appunto uno schema riassuntivo degli aspetti indagati dalla RARS. Il seguente grafico ci mostra che esiste una correlazione fra il genotipo e il fenotipo della RARS. Ulteriore approfondimento su quel numero di pazienti che avevano quelle mutazioni ricorrenti. È stato controllato quello che succedeva nelle varie sottoscale della RARS.

5. Conclusione

• A. C’è una correlazione genotipo-fenotipo per la sindrome di Rett. Diverse mutazioni del gene MECP2 determinano condizioni di diversa gravità.
• B. Relativamente alle mutazioni missenso più frequenti, si può notare che le pazienti con queste mutazioni presentano uno specifico profilo di disabilità nelle diverse aree considerate.

6. Comunicazione scritta

Metafora della ricerca = per fare ricerca bisogna muoversi, fare ricerca, è un qualcosa di appassionante sviluppare un progetto e mettercela tutta per perseguire quel risultato. Ci sono dei momenti in cui ci si arena, ci si ferma, in cui si è appesi ad un filo e si sembra di non potercela più fare perché si è in estrema difficoltà. Dopo magari tanta fatica e tanti vicoli ciechi. Quando si arriva ad un risultato WOW.

Acidi nucleici

Siamo polvere di stelle. Fenotipo = genotipo + ambiente, nell’uomo da tutte le caratteristiche fisiche e mentali che mostra. È importante la dote genetica che una persona ha alla nascita (genotipo). Per esempio una tinta che schiarisce parte dei capelli è una dimostrazione del fenotipo che però non proviene dal genotipo, ma dall’ambiente. L’ambiente è importante nell’influenza del fenotipo. Ambiente = quello che mangiamo, beviamo, facciamo... L’ambiente di un embrione può influenzare moltissimo.

Il DNA

La macromolecola della vita. È un polimero lineare non ramificato enormemente lungo. I monomeri di base del DNA sono i nucleotidi. Fino al 1940 gli scienziati rifiutavano la possibilità che il DNA potesse portare le informazioni genetiche perché vedevano sempre sequenze dei quattro nucleotidi che si ripetevano non capendone il significato. I nucleotidi invece sono disposti in una sequenza irregolare, ma non casuale. La macromolecola del DNA, quando estremamente compattata, si chiama cromosoma (corpo colorato). L’informazione genetica totale contenuta nelle cellule è presente nei nostri cromosomi e costituisce il Genoma di quell’organismo. Tanto più complesso è un organismo vivente tanto più DNA sarà contenuto nell’organismo stesso. Ci sono delle eccezioni: le cellule di alcuni anfibi e di qualche tipo di pianta contengono 30 volte più DNA dell’uomo.

DNA - acido desossiribonucleico (genoma umano per esempio) RNA - acido ribonucleico - può essere il genoma di alcuni virus. (HIV - COVID19) Gli organismi a RNA non possono riprodursi da soli, ma devono infettare altre cellule a DNA per poterlo fare. DNA e RNA sono polimeri lineari o circolari di nucleotidi. Ciascun nucleotide è costituito da un fosfato, uno zucchero e una base purinica o pirimidinica. I nucleotidi contenenti il desossiribosio come zucchero sono contenuti all’interno del DNA, quelli contenenti il ribosio nell’RNA. La terza componente dei nucleotidi sono le basi, puriniche o pirimidiniche.

Lezione 3

Struttura del DNA

Il DNA è un polimero costituito da diversi nucleotidi. Questi nucleotidi sono legati fra loro da un legame covalente, il legame fosfodisterico che va tra l’estremità 3 primo OH all’estremità 5 primo in rosso. I filamenti di DNA dal punto di vista biochimico hanno due estremità, una in alto detta 5 primo fosfato e nella parte terminale l’estremità 3 primo H. Lo scheletro del DNA è formato dal desossiribosio ed è uguale in tutto il filamento, la parte che varia invece è la base che può essere diversa in ciascun nucleotide. L’adenina e la guanina hanno un ingombro sterico maggiore rispetto alle pirimidine, timina e citosina (formate da un solo anello).

DNA e RNA non differiscono per i loro legami fosfodisterici, entrambi hanno una direzionalità da 5 primo a 3 primo, le differenze stanno nel tipo di zucchero che possiamo trovare, nel RNA al posto della timina troviamo l’uracile. L’RNA è una macromolecola lineare a singolo filamento, il DNA ha una doppia elica, è appunto costituito da due emieliche complementari e con direzione antiparallela.

Processi molecolari delle cellule eucariotiche

Ci sono molecole di DNA e di RNA, il DNA è il nostro genoma, contiene le informazioni per lo sviluppo di un organismo vivente (cromosomi) all’interno del nucleo. Il DNA nucleare appunto è detto anche genoma. Una parte dell’informazione è contenuta in una macromolecola di DNA circolare contenuta nei mitocondri, in questa molecola sono contenute alcune piccole info che servono per produrre delle proteine utili ai mitocondri stessi. A livello citoplasmatico abbiamo diversi tipi di RNA, il messaggero, il transfer, e il ribosomiale. L’informazione contenuta nel DNA dovrà essere trascritta in un messaggio (molecole di RNA) e questo messaggio verrà poi tradotto in proteina. Nel DNA è presente in progetto e per prendere forma deve essere trascritta in molecole meno lunghe, che sono quelle di RNA. Traducendo le informazioni si passa dal genotipo al fenotipo cellulare. L’informazione è contenuta nel DNA e può trascrivere parte di essa in RNA messaggero.