Molecole della vita e la nascita della cellula

Le molecole del corpo umano

Le molecole (biomolecole o macromolecole) che troviamo nel nostro corpo sono: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

Carboidrati

I carboidrati sono composti da C, H e O e posso scriverli come (CH₂O)_n. Formano polimeri (ogni singola molecola è un monomero), dimeri, trimeri, tetrameri, ecc. Possono aggiungere altre molecole lateralmente (carboidrati che si ramificano) come amido (accumulo energia) e cellulosa (strutturale). Il glucosio è la fonte primaria di energia per la cellula; questa energia può essere accumulata dalla cellula sotto forma di polimeri, ad esempio il glicogeno è un polimero di glucosio per immagazzinare energia. Noi non digeriamo la cellulosa (è fibra alimentare per l’uomo). Funzione di riconoscimento (recettore del coronavirus, riconoscimento di bersagli).

Lipidi

I lipidi aggiungono il fosforo F a C, O e H. Sono stoccaggio di energia come i carboidrati, tanto è vero che se mangio tanto zucchero assumo glucosio e va a depositarsi nel tessuto adiposo (produco grassi). Il glucosio per una certa quantità di energia occupa molto più volume dei grassi, allora il mio corpo non può stoccare questa quantità di glucosio nel volume richiesto e, tramite vie biochimiche, questo glucosio viene convertito in lipidi che hanno una densità energetica maggiore. A parità di massa, ha un contenuto energetico maggiore il grasso rispetto al glucosio. Funzione di isolamento termico (nelle balene o orsi polari che vivono in climi rigidi) e la formazione delle membrane cellulari.

Proteine

Le proteine sono composte da N, C, Z, H e O e sono fatte da amminoacidi, pressi del gruppo amminico che contiene azoto (monomero). La maggior quantità di funzioni sono svolte da proteine, e sono alla base della vita. Sono catalizzatori biologici (enzimi), difesa immunitaria (anticorpi) e componenti strutturali (microtubuli). Se la cellula non è sferica, i microtubuli le danno forma con il citoscheletro (impalcatura di microtubuli). Sono composte da amminoacidi (il loro monomero).

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici includono RNA e DNA. Composti da C, H, O, Z e F, contengono l’informazione ereditaria della cellula (genoma), normalmente stoccato in molecole di DNA che poi esprimono i geni che contengono attraverso la sintesi di molecole di RNA. Il DNA viene trascritto in RNA e permette la sintesi di proteine. Il DNA è una molecola stabile (contiene in modo stabile l’informazione genetica) e siamo stati in grado di isolare varie parti del DNA antico che hanno mantenuto un’integrità strutturale. L’evoluzione ha portato il DNA ad essere stabile, mentre l’RNA è molto labile e in laboratorio si degrada molto facilmente però è molto efficiente nello svolgere molte funzioni.

Il DNA contiene l’informazione genetica ed il genoma. È fatto da una base azotata (che possono essere quattro: adenina, guanina, citosina e timina), zucchero pentoso (desossiribosio) e un gruppo fosfato (con cariche negative), il gruppo fosfato dà natura acida alla molecola. Ogni nucleotide è fatto di una diversa base azotata, il desossiribosio e il gruppo fosfato. Il DNA è monofosfato (ha solo un gruppo fosfato) a differenza dell’ATP che è trifosfato (tre gruppi fosfato). Il DNA è un polimero di nucleotidi ed il legame del filamento è tra zucchero (C) e fosfato.

La timina si lega bene chimicamente con l’adenina così come la citosina con la guanina formando la doppia elica. Tra queste basi possiamo scegliere per fare un polimero. Il gruppo OH dello zucchero attacca un fosfato del nucleotide successivo. Le estremità del filamento sono diverse: da una parte lo zucchero (gruppo OH) (3’) e dall'altra il fosforo (5’ perché è libera la parte del carbonio 5). Il polimero è polare (per una molecola vuol dire che ha una carica) ma se parlo di un polimero è diverso, lo è quando le sue estremità sono diverse tra di loro e in base a questo capisco in che modo è orientato. Per produrre la doppia elica si prendono due di questi filamenti che vengono orientati in direzioni opposte (antiparalleli) e crea due filamenti fatti in modo tale che ci sia sempre una complementarietà delle basi. Filamenti antiparalleli per quanto riguarda le estremità e complementari al livello delle basi. Le basi si appaiono così perché hanno la disposizione di atomi di idrogeno tali da permettere la formazione di legami a ponte di idrogeno tra di esse a coppie.

Elica destrorsa

Per via degli enzimi che sono abituati a girare in verso destrorso, il DNA può essere replicato (replicazione) grazie all'appaiamento delle basi azotate (complementarietà). Usa un filamento come stampo, posso riparare il filamento se avviene una mutazione dato che l’altra nell’altro filamento rimane. Trascrizione: si trascrive l’informazione del DNA in una molecola di RNA (un gene). L'RNA è un singolo filamento ma può fare localmente un appaiamento ripiegandosi se trova dei tratti di complementarietà. Si ottiene una “forcina”. A seconda della sequenza, l'RNA si ripiega in modo diverso e non a doppia elica. Uso l'informazione contenuta in un gene per codificare una proteina (polimeri di amminoacidi — atomo di carbonio circondato da gruppo amminico, gruppo carbossilico, R e H). La catena laterale dà una caratteristica all’amminoacido (20 in natura) ed è diversa in ognuno. Il legame peptidico è un legame tra proteine (tra il gruppo amminico di uno e quello carbossilico dell’altro) e si libera acqua. Il polimero che si è formato è polare (estremità N terminale e C terminale). Nelle proteine, c'è molta varietà di forme (grazie ad una forma specifica hanno una funzione). Posizioni di una proteina = 20ⁿ (n=numero di amminoacidi).

C’è interdipendenza tra RNA e DNA (primer di RNA per replicare il DNA) e servono anche enzimi (proteine). Non si sa chi sia nato prima poiché tutto serve per tutto. L’RNA si capì che stava nel mezzo: porta informazioni e può ripiegarsi su se stesso. Tom Check ha scoperto che ci sono enzimi fatti di RNA e si sapeva che tutti gli enzimi erano proteine. Le molecole scoperte da lui erano ribozimi — formati sia da proteine che da RNA (perché ha complementarietà di basi essa si appaia a tratti). Probabilmente è da questo che nasce il DNA. I ribozimi tagliavano le altre molecole di RNA. Dove vengono sintetizzate le proteine (nel ribosoma) era presente un RNA (ribosoma è quindi un ribozima).

La nascita della vita

4,5 miliardi di anni fa — la radiazione solare arrivava a terra (non c’era atmosfera) ed arrivavano anche meteoriti sulla terra (sempre per l’assenza di atmosfera). Nei meteoriti c’erano molecole organiche o acqua (potrebbe essere arrivato qualcosa dai meteoriti). C’erano molte esplosioni, terremoti e vulcani. Miller nel 1952 riproduce la situazione della terra di 4,5 miliardi di anni fa in laboratorio. Esperimento dove c’è una specie di oceano (acqua) che viene scaldato e quindi evapora. Evaporando l’acqua va in atmosfera (sotto forma di vapore acqueo) ed è sottoposto a raggi ultravioletti, scarichi elettrostatiche (fulmini) e ad energia che bersaglia questa miscela di molecole come acqua (vapore acqueo) e vari composti che troviamo intrappolati nelle bollicine di atmosfera dell’epoca (e sappiamo che contenevano metano, ammoniaca, idrogeno molecolare esplosivo). Successivamente il tutto viene raffreddato e piove (come succede sul pianeta, l’acqua si scalda, evapora in atmosfera, subisce il trattamento ad alta energia di fulmini e UV, si raffredda e precipita).

Miller fa l’analisi di quello che c’è in quest’acqua e trova una miscela di composti, quello che si può chiamare “brodo primordiale” — trova 17 dei 20 aminoacidi. Trova azoto N (contenuto nell’ammoniaca), metano (che dà il carbonio) e l’acqua che mi dà H ed O. Questi composti permettono di fare amminoacidi e basi azotate. Miller scoprì che in queste condizioni spontaneamente si formavano queste molecole che sono alla base della vita. La probabilità di formare molecole organiche dalle basi non è zero perché è successo anche se ci sono voluti milioni di anni di evoluzioni.

Assemblaggio delle molecole organiche

Ma come si assemblano queste molecole organiche? Inizialmente ci troviamo in una situazione di disordine dove piano piano inizia a comparire l’ordine (il primo livello di ordine che ottengo è la formazione di legami precisi tra i vari atomi a formare questo tipo di molecole organiche — le condizioni per produrre queste molecole organiche non sono solamente sulla terra ma anche su altri pianeti). Si iniziano ad assemblare le molecole nel brodo primordiale, dove si trovano in concentrazione molto bassa (sulla terra si trovavano nell’oceano, un volume enorme, e derivavano dalla pioggia come aveva stabilito Miller nell’esperimento) — per produrre un polimero le molecole si devono scontrare ed associare nel caos termico della soluzione.

Per far sì che i due amminoacidi si legano tra di loro si devono scontrare nell’orientamento giusto, cioè quello che gli permette di fare un legame (Teoria cinetica degli urti). La probabilità che si incontrino è bassa perché è bassa la loro concentrazione. Per favorire lo scontro tra queste molecole si deve reclutare essa su una superficie (in questo modo aumenta la loro concentrazione perché si trovano tutte sulla stessa superficie e non si possono staccare da essa). L’acqua si lega al materiale della superficie, ogni volta che una goccia d’acqua raggiunge la superficie aumenta la concentrazione. (Invece di essere distribuite in tutto il volume sono distribuite soltanto su una superficie) si scoprono vari minerali e argille che avevano la capacità di assorbire l’acqua.

Adsorbire = la molecola rimane ancorata sulla superficie ma conserva la sua capacità di muoversi su di essa (le molecole adsorbite si possono incontrare). Se dei nucleotidi che si sono formati con l’esperimento di Miller si depositano sull’argilla possono iniziare a urtarsi ed inizieranno a formare polimeri. (Se si scontrano amminoacidi si può formare il legame peptidico).

• A probabilità non zero, abbiamo scoperto che esistono condizioni che dal brodo di Miller sulla superficie di questi minerali portano alla formazione di polimeri — si crea un polimero di RNA (che è capace di ripiegarsi e svolgere varie funzioni).

Questa molecola di RNA ha una sequenza che si è formata in modo casuale, ad un certo punto si stacca, ma ha una sua sequenza con altre caratteristiche.