Capitolo I il ciclo fondamentale



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22.05.2018
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Capitolo 12 - Il metabolismo

La chemioterapia


La campagna contro le malattie batteriche è, sotto certi aspetti, più semplice di quella contro le malattie da virus. I batteri sono più vulnerabili. Dato che vivono fuori delle cellule, essi sono in grado di causare danni sottraendo nutrimento o emettendo sostanze tossiche. Tuttavia il loro meccanismo chimico, o metabolismo, è generalmente diverso, almeno sotto certi aspetti, da quello delle cellule dell'ospite. C'è quindi sempre la possibilità che essi siano vulnerabili all'attacco di sostanze chimiche capaci di sconvolgere il loro metabolismo, senza influire seriamente sul metabolismo delle cellule ospitanti.

Gli antibiotici e gli antiparassitari


Evidentemente, dovevano esistere nel suolo degli agenti antibatterici. (In seguito questi agenti furono chiamati « antibiotici », che significa « contro la vita ».)

Nel 1928 Fleming aveva lasciato allo scoperto per alcuni giorni una coltura di stafilococchi. Non ne aveva più bisogno e stava per sbarazzarsi del piatto contenente la coltura, quando si accorse che vi erano cadute dentro alcune chiazze di muffa e che attorno a ciascuna chiazza la colonia batterica si era dissolta per un breve tratto.

Fleming isolò la muffa e la identificò a suo tempo come il fungo chiamato Penicillum notatum, un tipo di muffa molto affine al tipo che si forma spesso sul pane raffermo. Fleming si convinse che la muffa emetteva un qualche composto che, come minimo, impediva la riproduzione batterica, e diede a questa sostanza, qualunque essa fosse, il nome di « penicillina ».

Al principio degli anni cinquanta furono scoperti gli « antibiotici a spettro vasto » (cioè quelli che agivano contro una gamma particolarmente estesa di batteri). Si tratta delle « tetracicline », più conosciute fra il pubblico sotto i nomi commerciali di « acromicina » e « aureomicina ».

Grazie alla scoperta degli antibiotici si è arrivati a controllare le malattie batteriche in una misura che, soltanto una generazione fa, sarebbe sembrata eccessivamente ottimistica. Ciò nonostante il futuro non è completamente roseo. La selezione naturale destina alla sopravvivenza quelle famiglie di batteri che possiedono una resistenza naturale agli antibiotici. Quindi, col tempo, determinati antibiotici diventano meno efficaci. Si scopriranno certamente nuovi antibiotici, cosicché non tutto andrà perduto. Ma, d'altra parte, non tutto sarà vinto, e forse non lo sarà mai.

In genere i vari agenti chemioterapici non influiscono sui virus, i quali si moltiplicano all'interno di cellule viventi e possono essere uccisi da un attacco chimico soltanto se si uccide la cellula stessa. Invece può riuscire un attacco più indiretto, perché una sostanza chimica può uccidere non il virus in sé, ma la creatura pluricellulare che trasporta il virus.

organici sono stati impiegati contro gli insetti non soltanto per prevenire le malattie, ma anche per limitare i danni causati dagli insetti alle colture agricole. Sono stati realizzati anche dei diserbanti, i quali si possono raggruppare, insieme agli insetticidi, sotto la voce « antiparassitari ».

Anche in questo caso gli insetti danno luogo a ceppi resistenti e determinati antiparassitari diventano meno efficaci col passare del tempo. Inoltre molti pensano che l'impiego indiscriminato degli antiparassitari elimini inutilmente molte forme di vita che non sono nocive per l'uomo e turbi l'equilibrio della natura in un modo che, alla fine, farà più male che bene.


Le sostanze intermedie del metabolismo


Si possono indicare alcune delle linee principali di questa ricerca. Nel 1918 e negli anni successivi il biochimico tedesco Otto Fritz Meyerhof (1884-1951) dimostrò che nella contrazione muscolare il glicogeno (un tipo di amido) scompariva, mentre compariva una quantità corrispondente di acido lattico. In questo processo non si consumava ossigeno, cosicché l'energia veniva ottenuta senza ossigeno. Poi, quando il muscolo si riposava dopo il lavoro, una parte dell'acido lattico si ossidava (e allora veniva consumato dell'ossigeno molecolare per ripagare un « debito di ossigeno »). L'energia così sviluppata permetteva alla maggior parte del-l'acido lattico di ritrasformarsi in glicogeno.

Albert Lipmann (n. 1899) spiegò questa circostanza dimostrando che nelle molecole i gruppi fosfato potevano assumere l'una o l'altra di due forme di dispo-sizione: a bassa energia e ad alta energia. Quando le molecole di amido o di grasso si scindevano, l'energia emessa veniva utilizzata per trasformare fosfati a bassa energia in fosfati a alta energia. In questo modo l'energia veniva immagazzinata comodamente sotto forma chimica. La scissione di un fosfato a alta energia generava energia in quantità esattamente sufficiente per determinare le varie trasformazioni chimiche del corpo che richiedono energia.

In effetti nel 1940 Krebs aveva già individuato tutte le fasi principali della trasformazione dell'acido lattico in anidride carbonica e acqua, e questa serie di reazioni prende spesso il nome di « ciclo di Krebs ». Krebs aveva individuato anche le fasi principali della formazione del prodotto di scarto, l'urea, da parte dei componenti aminoacidi delle proteine.

Al principio degli anni trenta fu costruito il primo « microscopio elettronico », e si scoprì che il protoplasma della cellula era un complesso quasi incredibile di strutture piccole, ma estremamente organizzate chiamate « organuli » o « particolati ».

Fig. 5. Struttura generalizzata di una cellula. N è il .nucleo e l'area interna più scura è il nucleolo; M indica i mitocondri; G l'apparato di Golgi e R il reticolo di membrane coperte di particelle che compaiono anche come puntini sparsi per tutta la cellula e che rappresentano centri di sintesi proteica e si chiamano ribosomi.


Le particelle più grosse e più facili da studiare comprendono i « mitocondri » (al singolare « mitocondrio »). Una cellula di fegato tipica contiene un migliaio di mitocondri, ciascuno dei quali è un oggetto a forma di bastoncino lungo da due a cinque millesimi di millimetro.

I mitocondri furono studiati in modo particolarmente dettagliato dal biochimico americano David Green (n. 1910) e dai suoi collaboratori, i quali scoprirono che essi sono sede delle reazioni del ciclo di Krebs. In effetti nei mitocondri avvengono tutte le reazioni che comportano impiego di ossigeno molecolare, e gli enzimi catalizzano le varie reazioni, secondo un'opportuna disposizione all'interno di ciascun mitocondrio. Questo piccolo organulo dimostrò così di essere la « centrale energetica della cellula ».

Gli isotopi radioattivi


Lo studio della catena complessa delle reazioni metaboliche fu molto agevolato dall'uso di atomi di un tipo speciale chiamati « isotopi ». Durante il primo terzo del ventesimo secolo i fisici avevano scoperto che la maggior parte degli elementi erano costituiti da diversi tipi simili. Il corpo non era in grado di distinguerli in misura considerevole, ma erano state realizzate attrezzature di laboratorio in grado di differenziarli.

Il biochimico tedesco-americano Rudolf Schoenheimer (1898-1941) fu il primo a utilizzare su vasta scala gli isotopi nelle ricerche di biochimica.

Fu scoperto un isotopo radioattivo del carbonio (il « carbonio-14 »), che si rivelò particolarmente utile.

Questo fu il punto di partenza di una serie di ricerche compiute durante gli anni cinquanta che diedero, come risultato, un utile schema delle fasi principali della fotosintesi.



Capitolo 13 - La biologia molecolare : le proteine

Enzimi e coenzimi


Ogni reazione metabolica è catalizzata da un enzima particolare e la natura dello schema metabolico è determinata dalla natura e dalla concentrazione degli enzimi presenti. Per capire il metabolismo conveniva quindi capire gli enzimi.

Si concluse che l'enzima (costituito da una molecola grossa, incapace di attraversare la membrana) poteva tuttavia comprendere una molecola relativamente piccola, collegata debolmente e quindi capace di liberarsi e di attraversare la membrana, che faceva parte della strut-tura dell'enzima ed era essenziale per il suo funzionamento. Questa porzione piccola e collegata debolmente fu chiamata « coenzima ».

Risultò pertanto evidente che le molecole di molti coenzimi comprendevano strutture simili alle vitamine.

A quanto pareva, quindi, le vitamine rappresentavano quelle parti dei coenzimi che il corpo non era in grado di produrre da solo e che pertanto dovevano essere presenti, intatte, nella dieta. Senza le vitamine, i coenzimi erano inefficaci e il metabolismo subiva gravi alterazioni. La conseguenza era una malattia da carenza vitaminica e, a lungo andare, la morte.

Dato che gli enzimi sono catalizzatori presenti nel corpo soltanto in piccole quantità, a loro volta i coenzimi (e anche le vitamine) sono necessari soltanto in piccole quantità. Si spiega così come mai un componente della dieta presente soltanto in tracce possa tuttavia essere indispensabile alla vita.

Nel 1930 si cristallizzò la pepsina, lo enzima dei succhi gastrici che scinde le proteine; nel 1932 cristallizzò la tripsina e nel 1935 la chimotripsina, che sono entrambe enzimi proteolitici (cioè che scindono le proteine) del succo pancreatico. Risultò che anche queste erano proteine. Da allora sono stati cristallizzati enzimi a dozzine, e tutti si sono rivelati proteine.

Verso la metà degli anni trenta, dunque, il problema degli enzimi si era evidentemente fuso con il problema generale delle proteine.

Sembravano costituire l'essenza vera e propria della vita. Infatti un ramo della scienza sostanzialmente nuovo, che riuniva in sé fisica, chimica e biologia, scelse come campo di studio l'analisi della struttura fine e del funzionamento particolareggiato delle gigantesche molecole della vita. Questo nuovo ramo, la biologia molecolare, è diventato particolarmente importante (e effettivamente ha ottenuto successi sensazionali) dopo la seconda guerra mondiale, e tende a lasciare nell'ombra il resto della biologia.


Spesso succede che le molecole grosse siano composte di gruppi più piccoli disposti con regolarità all'interno delle molecole. È questo il caso, per esempio, delle proteine, che sono formate di aminoacidi. La disposizione regolare degli aminoacidi nella molecola proteica si riflette nel modo in cui un fascio di raggi X subisce la diffrazione. La diffrazione

La cromatografia


Nel caso delle proteine u progresso della chimica, in principio, tu lento. Gli scienziati del diciannovesimo secolo erano riusciti soltanto a dimostrare che la molecola di proteina era costituita di aminoacidi. All'inizio

Il procedimento fu applicato rapidamente a quasi tutte le branche della biochimica, tanto che senza questo procedimento la ricerca è diventata praticamente inconcepibile.

In particolare, la cromatografia su carta ha permesso di stabilire il numero esatto dei vari aminoacidi presenti in una data proteina. Si è arrivati a identificare proteine su proteine in base al numero di ciascuno degli aminoacidi che le costituiscono, così come si può individuare un normale composto grazie al numero di atomi di ciascuno dei suoi elementi.

La disposizione degli aminoacidi


Questo, però, non era ancora sufficiente. Dopo tutto ai chimici non interessa soltanto il numero degli atomi di un comune composto, ma anche la loro disposizione; e lo stesso vale per gli aminoacidi delle molecole proteiche (figura 6). Tuttavia il problema della disposizione è difficile. Anche se gli aminoacidi di una molecola sono soltanto poche dozzine, il numero delle diverse disposizioni possibili è astronomico, e quando gli aminoacidi presenti sono già più di 500 (come nella molecola dell'emoglobina, le cui dimensioni sono appena medie per una proteina) le diverse disposizioni possibili devono essere indicate da un numero di più di seicento cifre! Come si sarebbe potuta scegliere, fra tante possibilità, l'unica disposizione giusta?

Questo procedimento della « cromatografia su carta » ebbe un successo immediato. Semplice e poco costoso com'era, esso separava nitidamente


Fig. 6. Formule chimiche che indicano la struttura complessa di una proteina. Il primo disegno indica parte di una delle due catene peptidiche che formano la molecola della proteina insulina. La spina dorsale peptidica si ripete lungo il centro della catena, e sono indicate le catene laterali dei singoli aminoacidi.

Nel 1960 è stata individuata la disposizione degli aminoacidi in un enzima chiamato ribonucleasi. La molecola era composta di 124 aminoacidi, due

Il secondo disegno rappresenta parte della catena peptidica che forma la spina dorsale di una proteina. R rappresenta le catene laterali degli aminoacidi.







Capitolo 14 - La biologia molecolare : gli acidi nucleici

I virus e i geni

Ma proprio mentre si conquistava la padronanza della molecola proteica, questa veniva spodestata improvvisamente e in modo del tutto inatteso da un'altra sostanza come « prodotto chimico della vita » fondamentale.

A lungo andare furono perfezionati dei filtri abbastanza sottili per trattenere il virus e in tal modo si poté valutare che le particelle del virus, quali che fossero, pur essendo molto più piccole perfino delle più piccole cellule conosciute, erano sempre più grandi delle molecole proteiche anche grandissime.

Per quanto vivessero alle spalle di organismi così piccoli, i batteriofagi rientravano tra i virus più grandi, e alcuni di essi erano muniti di coda, come minuscoli girini. Si pose così il problema se questo gruppo di organismi, che sembravano colmare lo spazio tra le cellule più piccole e le molecole più grandi, fossero vivi oppure no.

Nel 1935 Il biochimico americano Wendell Stanley (n. 1904), riuscì a ottenere dei sottili cristalli a forma di aghi. Una volta isolati, questi cristalli dimostrarono di possedere, e in concentrazione elevata, tutte le proprietà infettive del virus. In altre parole, Stanley aveva ottenuto un virus cristallino, e un cristallo vivente era un concetto ben difficile da accettare.

Nei primi anni del ventesimo secolo risultò evidente che i cromosomi portavano i fattori che regolavano l'ereditarietà dei caratteri fisici e pertanto controllavano il resto della cellula come si sarebbe potuto aspettare da parte del componente-chiave subcellulare. Il cromosoma, però, era molto più grande del virus.

Ma il numero dei cromosomi era molto inferiore a quello dei caratteri ereditabili, per cui l'unica conclusione possibile era che ciascun cromosoma fosse composto di molte unità, forse migliaia, ognuna delle quali controllava un solo carattere. Nel 1909 il botanico danese Johannsen (1857-1927) diede a queste singole unità il nome di « geni », dalla radice della parola « generare ».
Ma i caratteri collegati non erano collegati per sempre. Una volta ogni tanto uno di essi veniva ereditato senza l'altro. Questo accadeva perché, di tanto in tanto, delle coppie di cromosomi si scambiavano delle parti cosicché l'indivisibilità dei singoli cromosomi non era assoluta (fenomeno chiamato « crossing over », con parola inglese che significa « scambio incrociato »).

Nel 1926 Muller era ormai riuscito a dimostrare che i raggi X riuscivano effettivamente a elevare di molto il tasso di mutazione. Il botanico americano Blakeslee arrivò a dimostrare, nel 1937, che si poteva elevare il tasso di mutazione anche mediante l'esposizione a sostanze chimiche specifiche (i «mutageni»).

eni fossero i virus addomesticati della cellula? Che un virus fosse un « gene selvaggio »?

L'importanza del DNA


Una volta cristallizzati i virus divenne possibile analizzarli chimicamente.

Erano sostanze proteiche, naturalmente, ma sostanze proteiche di un tipo particolare, chiamate « nucleoprotidi ». Il progresso dei metodi di colorazione diede la possibilità di individuare la natura chimica delle singole strutture subcellulari, e risultò che anche i cromosomi (e quindi i geni) erano nucleoprotidi.

Una molecola nucleoproteica consiste di proteina associata a una sostanza contenente fosforo, chiamata « acido nucleico ». Gli acidi nucleici furono scoperti nel 1869 dal biochimico svizzero Friedrich Miescher (1844-95). Furono chiamati così perché erano stati individuati per la prima volta nei nuclei cellulari. Quando poi si scoprì che esistevano anche fuori del nucleo cellulare era troppo tardi per cambiare il loro nome.

Inoltre c'erano due composti appartenenti alla classe delle cosiddette « purine », con molecole composte di due anelli di atomi, di cui quattro di azoto. Kossel li chiamò « adenina » e « guanina » (e a volte si indicano semplicemente con A e G). Kossel scoprì anche tre « pirimidine » (composti con un solo anello di atomi, due dei quali di azoto), che battezzò « citosina », « timina » e « uracile » (C, T, e U).

Negli anni venti e trenta si dimostrò che nella molecola dell'acido nucleico esisteva un'unità tripartita (che chiamò « nucleotide ») composta da una molecola di acido fosforico, una molecola di zucchero e una molecola di purine o di pirimidine. La molecola dell'acido nucleico è composta di catene di questi nucleotidi, così come le proteine sono composte di catene di aminoacidi. La catena nucleotidica risulta dall'unione dell'acido fosforico di un nucleotide con il gruppo dello zucchero del nucleotide vicino. Si forma così una « spina dorsale zucchero-fosfato » dalla quale si dipartono i singoli raggruppamenti di purine e pirimidine.

Levene dimostrò inoltre che le molecole di zucchero presenti negli acidi nucleici erano di due tipi: « ribosio » (contenente solo cinque atomi di carbonio invece di sei come gli zuccheri più conosciuti) e « deossiribosio » (uguale al ribosio, eccetto che la sua molecola possedeva un atomo di ossigeno in meno). Ogni molecola di acido nucleico conteneva zucchero di un tipo o dell'altro, ma non di entrambi. Si potevano quindi distinguere due tipi di acido nucleico: l'acido ribonucleico che si indica di solito con la sigla RNA, e l'acido deossiribonucleico, che si indica di solito con DNA. Ciascuno di essi conteneva purine e pirimidine di quattro soli tipi diversi. Il DNA era privo di uracile e possedeva soltanto A, G, C, e T. Invece 1'RNA era privo di timina e possedeva soltanto A, G, C, e U.

* I più semplici virus conosciuti contengono da tre a cinque geni. Il batteriofago T4, un grosso virus batterico, si ritiene contenga circa 100 geni (N.d.R.).

In ciascun caso si riteneva che la parte essenziale della molecola fosse la proteina e che il gruppo non proteico fosse del tutto subordinato. Si potevano trovare nucleotidi nei cromosomi e nei virus, ma si dava per scontato che il gruppo dell'acido nucleico fosse accessorio e che la parte veramente importante fosse quella proteica.

Gli spermatozoi consistono quasi interamente di cromosomi e trasportano le sostanze chimiche che comprendono le « istruzioni » complete per mezzo delle quali si trasmette ai figli la quota paterna dei caratteri ereditari.

Eppure Kossel scoprì che gli spermatozoi contenevano proteine semplicissime, molto più semplici di quelle che si trovano nei tessuti, mentre il contenuto di acido nucleico sembrava di natura uguale a quello dei tessuti. Questo poteva far sembrare più probabile che le istruzioni ereditarie fossero comprese nelle molecole non modificate dell'acido nucleico dello spermatozoo, anziché nella sua sostanza proteica estremamente semplificata.

I biochimici tuttavia non si lasciarono convincere. Non solo la fede nella molecola proteica era incrollabile, ma durante gli anni trenta tutte le prove sembravano dimostrare che gli acidi nucleici fossero molecole molto piccole (composte di appena quattro nucleotidi l'una) e quindi troppo semplici per trasportare istruzioni genetiche.

Le cose cambiarono nel 1944. Da quel momento in poi si dovette riconoscere che la sostanza fondamentale, la sostanza chiave della vita era in ultima analisi l'acido nucleico.

Si è dimostrato che i virus hanno una guaina esterna di proteina, con una molecola di acido nucleico nella cavità interna.

L'impiego degli isotopi radioattivi ha dimostrato chiaramente che quando un batteriofago, per esempio, invade una cellula batterica, nella cellula penetra soltanto la parte costituita dall'acido nucleico. La parte proteica rimane fuori. All'interno della cellula l'acido nucleico determina non soltanto la produzione di altre molecole di acido nucleico identiche a esso (e non a quelle originarie della cellula batterica), ma anche di molecole proteiche le quali formano la sua guaina, la sua proteina caratteristica e non quella della cellula batterica. Non poteva esservi più alcun dubbio sul fatto che era la molecola dell'acido nucleico, e non la proteina, a trasmettere le informazioni genetiche.

Le molecole dei virus contengono DNA o RNA. All'interno della cellula, invece, il DNA fu trovato solamente nei geni *. Dato che i geni sono le unità dell'ereditarietà, l'importanza dell'acido nucleico si è risolta nell'importanza del DNA.

La struttura degli acidi nucleici


Dopo le ricerche di Avery, agli acidi nucleici furono dedicati immediatamente studi profondi, e si scoprì in breve tempo che si trattava di macromolecole. L'idea che si trattasse di molecole piccole si era diffusa perché i primi procedimenti di estrazione erano stati talmente energici da scindere le molecole in frammenti più piccoli nel corso dell'estrazione. Con procedimenti più delicati si estrassero molecole di acido nucleico grandi come le più grosse molecole proteiche e anche più.

Meglio, il numero dei gruppi di adenina (sostanza purinica) era in genere uguale al numero dei gruppi di timina (sostanza pirimidinica), mentre il numero dei gruppi di guanina (sostanza purinica) era uguale al numero dei gruppi di citosina (sostanza pírimidinica), circostanza che si potrebbe esprimere con' A=T e G=C.

Pauling aveva appena elaborato la sua teoria sulla struttura a elica delle proteine (cfr. p. 128) e Crick e Watson pensarono che una molecola del DNA fatta a elica si sarebbe accordata con i dati di Wilkins. Per tener conto anche dei dati di Chargaff, però, occorreva una doppia elica. Crick e Watson immaginarono che la molecola del DNA consistesse di due spine dorsali di zuccheri e fosfati avvolte attorno a un asse comune, in modo da formare una molecola cilindrica. Le purine e le pirimidine si diramano alle spine dorsali verso l'interno, avvicinandosi al centro del cilindro. Affinché il diametro del cilindro si mantenesse uniforme, occorreva che una purina grossa fosse sempre contigua a una piramidina piccola. In particolare, una A doveva essere contigua a una T e una G doveva essere contigua a una C; fu così che si spiegarono i dati ottenuti da Chargaff. A questo punto, inoltre, si spiegava la fase fondamentale della mitosi, cioè lo sdoppiamento dei cromosomi (e anche un problema connesso, il modo in cui le molecole di un virus si riproducevano all'interno di una cellula).

Ogni molecola di DNA forma una copia di se stessa (« duplicazione ») in questo modo: le due spine dorsali di zuccheri e fosfati si svolgono e ognuna di esse serve da modello per un nuovo « complemento ». Ovunque su una delle spine dorsali esiste un'adenina, dalle scorte sempre presenti nella cellula viene prescelta una molecola di timina * e viceversa; ovunque è presente una molecola di guanina, viene prescelta una molecola di citosina, e viceversa. In questo modo il filamento numero 1 costruisce un nuovo filamento numero 2, mentre il filamento numero 2 costruisce un nuovo filamento numero 1. Ben presto esistono due doppie eliche al posto di una sola.

Se le molecole di DNA si comportavano in questo modo per tutta la lunghezza di un cromosoma (o di un virus), alla fine ci si trovava di fronte a due cromosomi (o virus) identici al posto di uno solo. Il processo non si svolge sempre in maniera perfetta. Quando nel processo di duplicazione si verifica una imperfezione, la nuova molecola di DNA è leggermente diversa dalla sua « antenata », e si ottiene una mutazione.

Fig. 7. La doppia elica della molecola di DNA. Le spine dorsali sono composte di gruppi di zucchero (Z) e fosfato (F) alternati. Verso l'interno si spingono le basi, adenina (A), guanina (G), timina (T) e citosina (C). Le linee tratteggiate sono legami idrogeno che collegano i due filamenti. Nella duplicazione ogni filamento produce il proprio complemento con le purine e le pirimidine (A, G, C, T, ecc.) che sono sempre presenti nella cellula (da un disegno di Scientific American).


Il codice genetico


Il « modello » di Watson-Crick fu reso noto nel 1953. I due studiosi arrivarono alla conclusione che funzione caratteristica di un dato gene era controllare la formazione di un dato enzima. Le molecole di acido nucleico trasmesse per mezzo degli spermatozoi e delle uova avevano in sé la facoltà di produrre una determinata serie di enzimi. La natura di questa serie regolava i processi chimici cellulari, e la natura dei processi chimici cellulari determinava tutti i caratteri sulla cui ereditarietà gli scienziati stavano indagando. In questo modo si passava dal DNA ai caratteri fisici.

All'interno della cellula erano stati notati numerosissimi granuli organizzati, molto più piccoli dei mitocondri (cfr. p. 122) e chiamati pertanto « microsomi » (dall'espressione greca che significa « piccoli corpi »).

I microsomi sono ricchi di RNA. Essi furono quindi ribattezzati « ribosomi », e furono proprio questi ribosomi a rivelarsi sede della produzione delle proteine.

Le informazioni genetiche provenienti dai cromosomi devono arrivare ai ribosomi e questo avviene per mezzo di un tipo particolare di RNA chiamato « RNA messaggero », il quale prende a prestito la struttura di un tratto di molecola di DNA all'interno dei cromosomi e migra con questa struttura fino a un ríbosoma, sul quale si innesta. Piccole molecole di un altro tipo di RNA, detto « RNA di trasporto » (« transfer-RNA »), si uniscono ad aminoacidi specifici; poi, trasportando con sé gli aminoacidi, vanno a legarsi a punti ben precisi dell'RNA messaggero.

Il primo problema da risolvere era ora quello di stabilire in che modo la molecola di RNA, che trasporta un determinato aminoacido, si attacca al punto giusto sull'RNA messaggero. La soluzione più semplice sarebbe immaginare che un dato aminoacido corrisponda a una data purina o pirimidina dell'acido nucleico (un aminoacido diverso per ciascuna purina o pírimidina). Però ci sono circa venti aminoacidi diversi e soltanto quattro purine e pirimidine per ogni molecola di acido nucleico. Per questa ragione sembra evidente che a ciascun aminoacido debba corrispondere una combinazione di almeno tre nucleotidi. (Le diverse combinazioni possibili di tre nucleotidi sono 64.)

Il grande problema biologico degli anni sessanta è diventato quello della corrispondenza fra triplette di nucleotidi e aminoacidi, quel che si chiama di solito « decifrazione del codice genetico ».


L'origine della vita


Nel 1908 il chimico svedese Svante August Arrhenius (1859-1927) avanzò un'ipotesi sull'origine della vita senza intervento del soprannaturale. Secondo lui, sulla Terra era cominciata la vita quando vi erano arrivate delle spore provenienti dallo spazio esterno. Si immaginarono delle particelle di vita che andavano alla deriva nell'immensità dello spazio, sospinte dalla pressione della luce stellare, e atterravano qua e là, fecondando questo o quel pianeta. Tuttavia l'ipotesi di Arrhenius si limitava a respingere il problema senza risolverlo. Se la vita non aveva avuto origine sul nostro pianeta, come aveva avuto origine, in qualunque posto avesse avuto origine?

Per esempio, in alcuni fossili vecchi di decine di milioni di anni si trovano ancora piccole quantità di aminoacidi che, una volta isolati, si rivelano identici agli aminoacidi che si trovano oggi nei tessuti viventi. Ciò nonostante può essere cambiata la chimica del mondo in generale.

Col tempo si sarebbero formati degli acidi nucleici abbastanza complessi per fungere da molecole duplicatrici, e questa sarebbe stata la chiave della vita. Grazie alla mutazione e agli effetti della selezione naturale si sarebbero formati acidi nucleici di forme sempre più efficienti.

Col passar del tempo questi si sarebbero trasformati in cellule, alcune delle quali avrebbero cominciato a produrre clorofilla. La fotosintesi (forse con l'aiuto di altri processi estranei alla vita) avrebbe trasformato l'atmosfera primordiale in quella a noi nota, ricca di ossigeno libero. In un'atmosfera di ossigeno e in un mondo già brulicante di vita, poi, non sarebbe più stata possibile la generazione spontanea del tipo appena descritto.

In grandissima parte queste sono congetture (anche se congetture ben ragionate), ma nel 1953 uno degli allievi di Urey, Stanley Lloyd Miller (n. 1930) fece un esperimento rimasto famoso. Miller cominciò con dell'acqua accuratamente purificata e sterilizzata alla quale aggiunse una « atmosfera » di idrogeno, ammoniaca e metano. Racchiusa la miscela in un'apparecchiatura ermeticamente chiusa, la fece passare attraverso una scarica elettrica che rappresentava un apporto di energia destinato a imitare l'effetto dei raggi ultravioletti del Sole. Miller continuò l'operazione per una settimana, poi separò i componenti della sua soluzione acquosa per mezzo della cromatografia su carta e scoprì, tra questi componenti, dei semplici composti organici e perfino qualche aminoacido dei più piccoli.

Se questo si può ottenere nel giro di una settimana con una piccola attrezzatura, che cosa non si sarebbe potuto ottenere in un miliardo di anni, avendo a disposizione tutto un oceano e tutta un'atmosfera?

Forse riusciremo a scoprirlo. Sul nostro stesso pianeta ogni anno impariamo qualcosa di nuovo sulle forme di vita che si manifestano nelle condizioni assai diverse degli abissi oceanici, perché nel 1960 l'uomo è arrivato fino al fondo del più profondo di questi abissi.

Ma perché tirare a. indovinare quando ci basta aspettare? Il lato forse più soddisfacente del lavoro scientifico è che, per quanto siano grandi i progressi o sensazionali e decisive le conquiste del sapere contro l'ignoto, ciò che ci riserva il futuro è sempre ancor più grande, ancor più emozionante, ancor più meraviglioso. -

Chissà che altro ancora verrà rivelato durante la vita di chi è vivo oggi?

Appendice all'edizione italiana

Le scoperte più recenti


La scoperta di Avery - il DNA costituisce il materiale ereditario della cellula - e quella di Beadle e Tatum - il materiale ereditario, cioè i geni, controllano la sintesi delle proteine cellulari - hanno posto alla biologia molecolare un problema fondamentale: come avviene questo controllo? I genetisti hanno dimostrato che più di un controllo si tratta di una vera e propria funzione di superficie stampo che il DNA assolve.

La sequenza dei singoli aminoacidi, che in definitiva determina la caratteristíca di una proteina e la sua funzione biologica, è cioè a sua volta determinata dalla sequenza delle basi puriniche e pirimidiniche, AGTC, di uno dei due filamenti che costituiscono quel tratto della molecola del DNA relativo alla proteina stessa. Ma sorgono due problemi.

La superficie stampo, cioè il DNA, si trova nel nucleo mentre la sintesi delle proteine avviene al di fuori di questa struttura cellulare, nei ribosomi. Inoltre la natura chimica del DNA è diversa da quella delle proteine. Il DNA è infatti costituito di nucleotidi mentre la proteina di aminoacidi. Non è possibile quindi una diretta corrispondenza.

Per quanto riguarda il primo problema, la superficie stampo viene copiata. Uno dei due filamenti del DNA viene trascritto, secondo la regola della complementarietà, la stessa che è alla base della duplicazíone del DNA. Il prodotto della trascrizione è 1'RNA messaggero che risulta quindi complementare rispetto al filamento trascritto, con la differenza che, trattandosi di un acido ribonucleico, al posto della timina c'è l'uracile.

La regola della complementarietà è perciò A = U, oltre a G = C. Il nome « messaggero » indica la sua funzione: portare il messaggio genetico dal nucleo al citoplasma.
[ Fig. 8. Duplicazione del DNA (i due filamenti non sono stati disegnati a doppia elica per semplificare il disegno del modello della duplicazione) ].

Giunto al citoplasma, il messaggio funge ora da stampo. Non potendo esserci, come si è già detto, una corrispondenza diretta basi azotate-aminoacidi, la corrispondenza deve essere mediata da un adattatore capace di funzionare da ` trait d'union ' tra le due strutture chimiche. Questo adattatore è l'RNA di trasporto.

Gli adattatori sono diversi per ogni tipo di aminoacido. Ogni aminoacido si unisce al suo specifico RNA di trasporto e ha così legata a sé una struttura nucleica che può trovare una corrispondenza, basata sempre sulla regola della complementarità, con la struttura dell'RNA messaggero. Abbiamo visto che la sequenza di basi determina la sequenza degli aminoacidi delle proteine. L'RNA è un susseguirsi di ACUCAGCAUGAUCGAU... Si tratta di quattro lettere variamente ripetute. Gli aminoacidi delle proteine sono 20.

Se ad ognuna delle singole lettere AUGC facciamo corrispondere un aminoacido (mediante la molecola dell'adattatore), avremo la possibilità di ordinare solo quattro tipi di aminoacidi. Considerando, anziché una sola base, due basi, abbiamo 16 possibilità AU, CU, GA, GC, UA ecc., che non sono ancora sufficienti. Prendendone tre avremo 64 possibilità, che, rispetto alle 20 che ci servono, sono largamente sufficienti. Ma come decifrare questo codice genetico? Cioè cosa vuol dire AUC o UGG o AAC ecc.?

Marshall Nirenberg e Heinrich Matthei hanno risolto brillantemente il problema sintetizzando chimicamente un RNA messaggero formato da una sola base, 1'uracile, U. In questo caso la sola tripletta possibile è UUU

[ Fig. 9. Trascrizione del DNA con formazione di RNA messaggero e successiva sintesi della catena polipeptidica (proteina) ].

che si ripete lungo tutto l'RNA messaggero artificiale. Questo, messo in presenza di un sistema enzimatico acellulare, capace di sintetizzare proteine, dovrebbe fungere da stampo per la formazione di una proteina fatta da un solo aminoacido, quello corrispondente ad UUU. I due ricercatori hanno in effetti ottenuto una proteina fatta di un solo aminoacido, la fenilalanina. Il codice genetico non era più un mistero, la decifrazione completa richiedeva solo del tempo. Con la tecnica dei messaggeri sintetici e con altri metodi si è giunti infine a conoscere il significato di tutte le triplette. Prima di giustificare l'eccedenza di triplette (64, mentre ne servirebbero solo 20), vediamo di approfondire la funzione dell'adattatore. Supponiamo che la fenilalanina sia il primo aminoacido della proteina che deve essere sintetizzato sui ribosomi. La prima tripletta dell'RNA messaggero deve essere quindi UUU che, come abbiamo visto, significa fenilalanina.
Orbene,

l'RNA di trasporto a cui è legato questo aminoacido ha nella sua molecola, in un punto particolare, una tripletta che è complementare ad WU e cioè AAA. Viene vosi resa possibile la corrispondenza, tramite l'adattatore, fra le tre basi dell'RNA messaggero e l'aminoacido. Alla seconda tripletta del messaggero corrisponderà la tripletta di un altro RNA di trasporto a cui è legato il suo aminoacido corrispondente. Naturalmente deve avvenire anche la saldatura, il legame peptidico, tra il primo aminoacido e il secondo e tra questo e il terzo e così via. Più o meno contemporaneamente alla formazione del legame avviene il distacco degli aminoacidi dell'RNA di trasporto. La fenilalanina è codificata dalla tripletta UUU, e anche dalla tripletta UUA, la isoleucina da AW, AUC, AUA ecc. (v. figura 10). Delle 64 possibili triplette 61 corrispondono ad aminoacidi. E le altre 3? Sono dei segnali d'arresto, come gli stop nei telegrammi per dividere tra loro le varie frasi. Se un RNA messaggero funge da stampo per più di una proteina, tra stampo e stampo vi è una « tripletta nonsenso ».

Il messaggero sintetico formato da soli U stimola l'incorporazione di fenilalanina in estratti cellulari dei più diversi organismi, dai batteri ai mammiferi. Questo ed altri risultati ancora hanno dimostrato l'universalità del codice genetico per tutti gli organismi attuali e fatto pensare che il codice sia rimasto costante per un lungo periodo evolutivo.

Dai lavori di Beadle e Tatum e dagli ulteriori sviluppi della Biologia Molecolare il gene assunse un significato fisico ben preciso ed una funzione altrettanto precisa. Non esistono però soltanto geni che controllano la sintesi delle varie proteine cellulari, ma anche dei geni regolatori. Una cellula batterica che cresca in assenza dello zucchero lattosio ha soltanto qualche molecola dell'enzima lattasi. Se la cellula cresce invece in presenza di questo zucchero troviamo migliaia di molecole dell'enzima, indispensabili per l'utilizzazione del lattosio da parte della cellula. Il gene regolatore controlla la sintesi dell'enzima attraverso la formazione di un repressore. Il repressore è una proteina che impedisce la trascrizione del gene della lattasi, rendendo impossibile la sintesi dell'enzima. Il lattosio si unisce al repressore inattivandolo: il gene della lattasi ha così via libera. Questo è un esempio di un sistema di regolazione del metabolismo cellulare a livello della espressione del gene. Un controllo di tipo diverso, anziché regolare il numero di molecole enzimatiche sintetizzate, si realizza influenzando la loro attività catalitica.

Consideriamo una cellula batterica dove avviene la sintesi di un aminoacido attraverso tutta una serie di tappe chimiche intermedie, ognuna delle quali catalizzata da un enzima. Se vi è una sovrapproduzione, ovviamente inutile, dell'aminoacido, questo si unisce all'enzima che regola la prima tappa, inattivandolo e bloccando così l'intera catena di reazioni metaboliche. Questa inibizione molto specifica viene chiamata inibizione da 'feedback '. L'enzima si unisce al substrato provocandone la trasformazione chimica. Nella inibizione da feedback l'inibitore non si unisce nello stesso sito della molecola enzimatica dove si unisce il substrato, ma in un altro sito, provocando una modificazione della conformazione della molecola dell'enzima (modificazione allosterica) che ha come conseguenza una modificazione del sito catalitico, reso così inattivo.

[ Fig. 11. Rappresentazione schematica di come l'unione di un inibitore, costituito da prodotto finale, inibisca un enzima causando una trasformazione allosterica ].

Nel 1967 la stampa fece rumore con una notizia scientifica di notevole importanza e presentata al lettore come ' sintesi della vita in provetta '. L'autore della scoperta era Arthur Karnberg, che aveva ottenuto alcuni anni prima il premio Nobel per aver sintetizzato in vitro il DNA. Partendo da una piccola quantità di DNA, in presenza dei quattro nucleotidi (come trifosfati) e di un enzima, la DNA polimerasi, capace di saldare insieme i singoli nucleotidi, egli aveva ottenuto la sintesi di un nuovo DNA a doppia elica con una composizione in basi uguale a quella del DNA di partenza, suggerendo che questo aveva funzionato da stampo secondo il modello della duplicazione fondato sulla complementarità delle basi.

L'eguale composizione in basi, anche se molto significativa, non era tuttavia ancora una dimostrazione che il nuovo DNA fosse una copia esatta di quello aggiunto all'inizio. I due DNA, per essere eguali, debbono avere infatti una eguale sequenza di basi, avere cioè la stessa informazione genetica. A tutt'oggi, mentre è possibile determinare chimicamente la sequenza degli aminoacidi in una proteina (v. pag. 131), non lo è per quanto riguarda i singoli nucleotidi del DNA. Il problema poteva essere aggirato, sopperendo all'inadeguatezza delle tecniche chimiche con un esperimento di natura biologica. Se infatti il DNA sintetizzato ha la stessa sequenza di basi di quello di partenza, deve avere anche le stesse proprietà biologiche.



Komberg ha così sintetizzato il DNA di un batteriofago e ha visto che infettando con esso delle cellule batteriche si ottenevano delle particelle fagiche del tutto uguali a quelle che si ottengono infettando le cellule normalmente. Anche Samuel Spiegelman, alcuni mesi prima, aveva ottenuto risultati analoghi. « Sintesi della vita »? Certo un successo su questa strada.

F. Soso 21-05-18



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