Fondamenti neurobiologici e genetici

Fondamenti neurobiologici e genetici

Organismo vivente

Un organismo vivente sfugge alla legge dell’entropia e ha la tendenza alla costruzione di una forma d’ordine nelle prime fasi di vita. Grazie al fatto di essere attraversato da un flusso continuo di energia, mantiene la propria organizzazione e si riproduce. Quindi il suo mantenimento dell’ordine dura all’infinito.

Gli organismi viventi sono divisi in:

• Autotrofi (piante e alghe azzurre): producono composti organici, come il glucosio, e poi anche ossigeno grazie al pigmento clorofilla (fotosintesi clorofilliana) partendo da composti inorganici. Di notte le piante non producono ossigeno, utilizzano glucosio e ossigeno ed emettono anidride carbonica. La fotosintesi trasforma l’energia della luce solare in una forma di energia chimica, che può essere utilizzata per la sintesi di grandi molecole. La clorofilla permette agli elettroni di valenza, quando colpiti dal sole, di passare a un livello di energia maggiore.
• Eterotrofi (es. uomo): non hanno la clorofilla e hanno bisogno di nutrimento esterno per ricavare energia, bruciando i composti organici. L’energia viene immagazzinata, ad esempio, come ATP (adenosina trifosfato), la molecola per eccellenza come trasduttore di energia.

È un ciclo tra autotrofi ed eterotrofi, un processo sostenuto dall’energia del sole, attualmente in equilibrio, definito come ciclo vitale. Prima si sono sviluppati gli autotrofi, ma sono entrambi importanti. Tra gli eterotrofi c’è l’uomo, considerato il vertice dell’evoluzione.

Il cibo è energia; senza di esso non possiamo ottenere ATP, molecola in cui incameriamo energia. Gli ultimi tre atomi fosfati incamerano grandi quantità di energia. La cellula immagazzina energia dalla degradazione di cellule organiche, energia necessaria per i muscoli e i neuroni.

• Soddisfazione dei bisogni energetici per il mantenimento delle strutture dell’organismo: l’energia chimica è presa dai composti organici; spezzando i legami si libera energia, che si immagazzina in una molecola ATP, in particolare nei tre gruppi fosfato (racchiude 7 kilocal).
• ATP viene sintetizzata nei mitocondri e poi rilasciata ovunque.
• Rifornimento dei materiali per la crescita ed il rinnovamento delle strutture dell’organismo: il cibo serve anche per il nostro corpo, ad esempio le proteine servono per costruire i nostri tessuti.
• Necessità di elementi nutrizionali (H₂O, vitamine e sali minerali) che non hanno funzione energetica ma sono essenziali.

Metabolismo significa prendere qualcosa di esterno a noi e rielaborarlo per il nostro corpo. Alcune proteine servono a creare gli enzimi, su cui si basa il metabolismo, e hanno bisogno di coenzimi. Molti coenzimi derivano dalle vitamine.

La scienza

La scienza è una forma del sapere umano caratterizzata da un metodo che ha due requisiti fondamentali: rigore e oggettività. Certe cose sono oggettive. Il movente degli scienziati è la curiosità. Diverse aree del sapere umano possiedono o hanno acquisito un metodo scientifico e vengono quindi riconosciute come “scienze” (ad esempio, scienze matematiche: algebra, geometria; scienze fisiche: fisica, chimica, biologia; scienze umane: psicologia, sociologia).

Il metodo scientifico

• Osservazione ripetuta, senza pregiudizi, porsi delle domande
• Problema: pongo il perché
• Ipotesi soluzione: tentativo di risposta alla domanda
• Verifica o confutazione
• Conclusione o teoria
• Comunicazione scientifica ai congressi: prima alla comunità scientifica (dove gli scienziati possono contestare e verificare la validità) e poi tutti devono giovarne

Esempi di ricerca scientifica

Esempio di ricerca scientifica: “Studio sulla natura chimica della sostanza che induce una trasformazione ereditabile di un tipo di pneumococchi”

• Esperimento di Griffith sui topi: due tipi di pneumococchi (batterio Diplococcus pneumoniae), ceppo R (tipo 2) = ceppo non virulento, colonie rugose, no capsula; ceppo S (tipo 3) = ceppo virulente, capsula liscia. Prende i batteri morti S, una volta virulenti, ma non più a causa del calore, incubati insieme al ceppo non virulento R: i topi muoiono. Si ha una trasformazione da tipo R a tipo S, permanente ed ereditaria. Qual è il principio di trasformazione? Il DNA.
• Esperimento di Avery, MacLeod e McCarty (si basa su quello di Griffith):
  • Batteri morti virulenti di tipo S
  • Estrazione cellulare grezza
  • Purificazione del DNA estratto → DNA purificato
  • Incubazione DNA purificato con ceppi non virulenti → topi morti
  • (DNA purificato + desossiribonucleasi = diventa solo nucleotidi) + ceppi non virulenti → topi vivi. Desossiribonucleasi (enzima) degrada il DNA, che viene depolimerizzato scindendo la molecola nelle sue unità monomeriche. Non tutti i frammenti di DNA contenevano l'informazione della virulenza.

Si conclude che la molecola del DNA integra nella sua struttura, ed è l’unità fondamentale del principio trasformante degli pneumococchi tipo R (non capsulati e non patogeni) in pneumococchi tipo S (capsulati e patogeni). La trasformazione è permanente ed ereditaria.

Esempio attuale: Sindrome di Rett

“Studio della correlazione tra specifiche mutazioni nel gene MECP2 e il profilo clinico delle pazienti con sindrome di Rett”

• Osservazione: Malattia genetica neurodegenerativa grave dello sviluppo, colpisce solo le bambine e le ragazze. È stata quindi osservata eterogeneità genetica. Rientra nelle patologie apparentate all’autismo. Può avvenire in tre geni distinti, principalmente nel gene MECP2, oppure CDKL5 e FOXG1. Dal punto di vista clinico, la sindrome di Rett è molto eterogenea. Si possono descrivere almeno cinque diverse modalità di presentazione.
• Problema:
  • Quali sono i fattori responsabili della diversità nelle caratteristiche cliniche?
  • Esiste uno strumento adeguato a rilevare e misurare i gradi di disabilità delle pazienti?
• Ipotesi:
  • Vi sono vari tipi di mutazione, la genetica può spiegare l'eterogeneità genetica. Mutazioni diverse localizzate lungo i vari domini della proteina MECP2 ed identificate nelle pazienti sono responsabili dei diversi profili clinici osservati.
  • La RARS (Rett Assessment Rating Scale) è uno strumento adatto a esprimere la varietà e la severità delle aree sintomatiche delle pazienti con sindrome di Rett.
• Verifica sperimentale:
  • Viene fatto compilare un questionario ai familiari di 114 pazienti con sindrome di Rett, che poi sono state sottoposte a due differenti tipi di analisi:
  • Analisi genetica: identificazione delle mutazioni nel gene MECP2
  • Valutazione del profilo neurocognitivo delle pazienti mediante RARS
  • Correlazione genotipo e risultati della RARS

  Le pazienti con mutazioni di tipo severo (troncanti) avevano il 90% di disabilità, quelle di tipo moderato avevano il 60-70%. Vi sono poi quattro mutazioni missenso tra il moderato e il mild, che variano solo per un amminoacido.

• Conclusione: C’è quindi una correlazione genotipo-fenotipo. Mutazioni diverse del gene MECP2 determinano condizioni di diversa gravità nell’espressione della sindrome; in particolare, mutazioni troncanti determinano un fenotipo clinico più grave delle mutazioni missenso. 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. Impostare una terapia già da piccole è fondamentale, in base alle aree di maggiore difficoltà.

Struttura atomica

La maggior parte degli atomi negli organismi si organizza in aggregati stabili chiamati molecole. La porzione di spazio nella quale si individua l’elettrone è l’orbitale, che può essere occupato da due elettroni al massimo. In ogni atomo, è lo strato più esterno, di valenza, a determinare il modo in cui l’atomo si combina con altri atomi. Gli atomi che contengono elettroni spaiati nel loro strato esterno sono instabili e danno luogo a reazioni. La tendenza a formare molecole stabili in modo che negli strati esterni vi siano otto elettroni è nota come regola dell’ottetto.

Un legame chimico è una forza di attrazione che lega due atomi insieme in una molecola. I legami covalenti sono legami forti, che si producono quando vi è condivisione di elettroni. Le attrazioni ioniche si creano quando un atomo acquisisce o perde uno o più elettroni per raggiungere la stabilità. La forza di attrazione che un nucleo atomico esercita sugli elettroni si chiama elettronegatività e dipende dal suo numero di cariche positive e dalla distanza tra il nucleo e gli elettroni dello strato esterno. Se due atomi hanno una elettronegatività simile, formeranno un legame covalente apolare. Quando due elettroni vengono attirati maggiormente verso uno dei due nuclei, si crea un legame covalente polare. È detto polare perché le cariche di segno opposto si trovano separate, ognuna a un’estremità o polo del legame. Ad esempio, l’acqua è un composto polare, in cui troviamo il legame a idrogeno.

Gli ioni sono particelle elettricamente cariche, che si formano quando gli atomi acquisiscono o perdono uno o più elettroni. Gli ioni carichi positivamente sono detti cationi, quelli carichi negativamente sono detti anioni. Si dicono attrazioni ioniche i legami che derivano dall'attrazione elettrostatica tra ioni di cariche opposte. Gli ioni che si legano possono formare composti solidi stabili, chiamati sali.

Una reazione chimica avviene quando degli atomi in movimento si scontrano con energia sufficiente per aggregarsi o per cambiare atomi a cui sono legati. Le reazioni chimiche non creano né distruggono energia, ma comportano una trasformazione di energia.

Le macromolecole

Negli organismi viventi sono presenti quattro tipi di macromolecole: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici. Tutte tranne i lipidi sono polimeri, che uniscono con legami covalenti molecole più piccole dette monomeri.

• Proteine: formate da amminoacidi
• Carboidrati: formati da monosaccaridi
• Acidi nucleici: formati da monomeri nucleotidici
• Lipidi: formati da molecole più piccole

Acidi nucleici

L’insieme di tutte le molecole di DNA contenute in ognuna delle cellule di un organismo è il suo genoma. Le molecole di DNA sono lunghe sequenze di quattro sottounità differenti chiamate nucleotidi. I geni sono specifici segmenti di DNA che codificano l’informazione, che la cellula usa per creare amminoacidi e assemblarli per creare proteine. Ciascun gene è definito da una specifica sequenza di quattro nucleotidi. Questo processo di traduzione in amminoacidi prevede prima una fase di trascrizione di parte dell’informazione DNA di un gene nella struttura di un’altra molecola ancora più piccola, detta acido ribonucleico RNA. Ogni volta che il genoma viene replicato è probabile che si verifichino alcuni errori, conosciuti come mutazioni.

Quali sono gli acidi nucleici? Gli acidi nucleici sono polimeri specializzati nell’immagazzinare, trasmettere e utilizzare le informazioni genetiche. Ci sono due tipi di acidi nucleici: il DNA (acido deossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico). Gli acidi nucleici sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi. Un nucleotide è composto da tre parti: una base azotata, uno zucchero pentoso e da uno a tre gruppi fosfati. I nucleotidi che formano gli acidi nucleici contengono un solo gruppo fosfato. Le basi azotate sono di due tipi: pirimidine e purine, ad esempio adenina, citosina, guanina e timina. Nell'RNA al posto della timina vi è l'uracile.

L'appaiamento complementare delle basi avviene tra T-A e C-G, tenute insieme da legami a idrogeno. Il DNA è la macromolecola per eccellenza della vita, contiene il progetto formativo-costitutivo, secondo il quale si sviluppa la struttura e l’insieme delle attività metaboliche dell’organismo. Per alcuni retrovirus l’RNA è materiale genetico. In tutte le nostre cellule è il DNA, anche per la maggior parte dei virus. Qualsiasi organismo vivente appare con una certa forma o aspetto, definito fenotipo, che deriva da un'interazione continua tra genotipo e ambiente, da quando l’individuo è uno zigote. Solitamente l’RNA è a singolo filamento, ma parti della molecola possono ripiegarsi e appaiarsi. Il DNA invece è a doppio filamento, ossia consiste in due distinti filamenti polinucleotidici che si avvolgono a doppia elica. Le molecole di DNA si differenziano tra loro per le diverse sequenze di basi.

Il DNA

È un polimero lineare non ramificato enormemente lungo, costituito da nucleotidi. Sino al 1940 gli scienziati rifiutavano la possibilità che il DNA potesse portare l’informazione genetica, perché vedevano sequenze di quattro nucleotidi ripetute all’infinito, ma non ne capivano il significato.

I nucleotidi (monomeri di base) sono disposti in una sequenza irregolare, ma non casuale! Ciascuna molecola di DNA è compattata in un cromosoma. L’informazione genetica totale conservata nei cromosomi di un organismo ne costituisce il genoma, che è il corredo completo di DNA di un organismo. Tutte le nostre cellule hanno lo stesso materiale ereditario, ma non sono tutte uguali, perché non tutta l’informazione si esprime in una cellula, ma dipende dalla loro funzione. Il materiale genetico è uguale nei gemelli omozigoti. Il genoma di ciascuno di noi è diverso: quello umano è costituito da 46 cromosomi con la stessa forma, di cui 44 autosomi e 2 cromosomi sessuali. Sembrano essere uguali, ma differiscono per i geni. Non vi è correlazione tra la quantità di materiale genetico e la sua complessità.

Come sono fatti DNA e RNA?

Il DNA è Acido desossiribonucleico e l'RNA è Acido ribonucleico. Sono polimeri lineari di nucleotidi. Il nucleotide nel DNA contiene il desossiribosio, nell'RNA il ribosio; in entrambi il fosfato e una base purinica o pirimidinica differiscono per l’ingombro sterico; il volume occupato è maggiore nelle puriniche.

Le basi nel DNA sono adenina, guanina (purine); citosina, timina (pirimidine). Le basi nel RNA sono adenina, guanina; citosina, uracile. Il legame fosfodiesterico è un legame forte, covalente (compartecipazione di elettroni) tra il fosforo e il desossiribosio. Fra i nucleotidi i legami sono covalenti e ci vuole molta energia per romperli. Questo legame avviene tra il carbonio 5’ dello zucchero pentoso dell’ultimo nucleotide e il fosfato del nuovo nucleotide. La direzione con cui vengono letti e verso cui crescono gli acidi nucleici è estremità 5’ - 3’, che è detto “filamento senso”.

Il DNA ha due emieliche (una 5’-3’ e una 3’-5’), mentre l’RNA è a singolo filamento. All’estremità della catena in 5’ c’è un gruppo fosfato libero, dall’altro lato c’è invece un gruppo ossidrile libero in 3’. Nella doppia elica del DNA l’estremità 5’ di un filamento è appaiata all’estremità 3’ dell’altro.

Il DNA e l’RNA sono formati da desossiribonucleotidi o ribonucleotidi uniti fra loro con un legame fosfodiesterico. Essi svolgono funzioni diverse. Nelle nostre cellule vi è il DNA genomico nel nucleo, il DNA nucleare, e il DNA mitocondriale, presente in alcuni organuli, che contiene delle informazioni. Vi sono invece 3 tipi di RNA:

• mRNA: messaggero
• tRNA: transfer
• rRNA: ribosomale

Questi si trasferiscono dal nucleo al citoplasma. Nel processo di traduzione, tutti danno luogo alla sintesi proteica. Con le proteine poi si può costruire qualsiasi cosa, perciò tutta l’informazione è contenuta nel DNA.

Dogma centrale della biologia: l’informazione del DNA transita e viene trascritta nel RNA, tradotto poi in proteine, il frutto dell’informazione. Il flusso è irreversibile e a senso unico, ma è stato ampliato grazie alla scoperta dei retrovirus: il genoma formato da RNA viene retrotrascritto in DNA virale, trascritto in molecole di RNA virali e poi tradotte in proteine.

Le funzioni del DNA

• Trascrizione: meccanismo che serve a sintetizzare molecole di RNA che vengono tradotte in proteine. Alcune sequenze di DNA possono essere copiate nel RNA con questo processo. Soltanto brevi tratti vengono trascritti nel RNA, sequenze chiamate geni.
• Traduzione: la sequenza di nucleotidi nel RNA può servire a determinare la sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica. L’insieme di trascrizione e traduzione è detto espressione genica.
• Replicazione: mitosi per cellule somatiche (divisione cellulare) e meiosi per cellule germinali (formazione dei gameti). Prima di esse, il DNA viene replicato. La replicazione solitamente coinvolge l’intera molecola.

Sebbene il genoma umano contenga abbastanza DNA da codificare quasi 3.000.000 di proteine, in realtà è stato stimato che in esso siano presenti solo circa 22.000 sequenze codificanti proteine. Una grossa parte del materiale genetico non è codificante (non contiene l’informazione per la sintesi di una proteina), ad esempio, serve alla regolazione dell’espressione genica.