processi biochimici e biosfera

 

Mentre le altre sfere sono in equilibrio termodinamico o vicine ad esso, la biosfera è un sistema lontano dall'equilibrio, globalmente in uno stato di equilibrio stazionario, che dissipa energia (energia libera ed ecosfera).

La biosfera è una macchina che ripete ciclicamente processi di riduzione-ossidazione di C, N, S (ossidoriduzioni nella biosfera), e processi di condensazione che coinvolgono ossidoriduzioni_e_cicli.

Questi processi sono per la maggior parte attivati dall'energia solare.

Gli organismi_viventi sono una manifestazione dell'organizzazione dinamica di molecole organiche e inorganiche dell'ecosistema e possiedono la capacità peculiare di utilizzare materia ed energia "disordinate" per creare ordine secondo un programma ereditario (energia libera e biosfera).

I sistemi viventi attuano processi, detti metabolismi, per mantenere la biosfera nella sua "speciale" situazione energetica.

Meccanismi a feed back negativo (modello cibernetico) servono a mantenere lo stato di equilibrio dinamico stazionario; meccanismi a feed back positivo sono invece importanti per lo sviluppo degli individui: esiste cioè un rapporto fra termodinamica_ed_evoluzione.

Il problema dell'origine_della_biosfera, dal punto di vista delle forze chimiche implicate, è stato impostato solo di recente (con specifico interesse da parte dei chimico-fisici) e coinvolge passaggi ardui per le conoscenze biologiche tradizionali.

 

 

 

 


Organismi viventi

Per organismo vivente si intende un sistema, formato da una o più cellule, che ha acquisito, mediante l'evoluzione, la capacità di assumere, immagazzinare ed utilizzare l'energia, la materia e l'informazione necessarie alla propria riproduzione.

"La cellula è la struttura minima che può essere considerata "viva" nello stesso modo per cui un atomo è la struttura minima che ha le proprietà chimico fisiche di un elemento".

Gli organismi viventi sono caratterizzati da grande complessità e forte gerarchizzazione di ordine dinamico fra i diversi livelli.

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Caratteristiche tipiche di un vivente, oltre a composizione chimica e metabolismo, sono:

organizzazione, riproduzione, autoregolazione.

 

 


Ossidoriduzioni e cicli

 

Nello schema sono indicati i flussi di materia tra i compartimenti abiotico (principalmente inorganico) e biotico ed anche i tipi fondamentali di reazioni di riduzione e ossidazione di carattere biochimico che sono coinvolti nelle trasformazioni e  che permettono i trasferimenti tra i due comparti.

 

La riduzione permette anche la formazione di strutture gerarchicamente sempre più complesse, da  organiche a biologiche, passando dai monomeri organici, ai polimeri, ai complessi sovramolecolari e infine alle cellule, che sono le strutture fondamentali per gli organismi viventi.

REDOXCIC.bmp (205414 byte)

 

 

 


Metabolismi

Metabolismo o ricambio è il complesso di scambi e trasformazioni chimiche ed energetiche degli organismi viventi (che sono "sistemi aperti") con il loro ambiente; questo complesso di scambi è finemente regolato e coordinato: infatti materia ed energia vengono utilizzate per costruire e mantenere le complesse strutture ordinate (relazione_tra_produzione_ed_energia).

Ogni vivente dispone di un progetto che contiene le informazioni necessarie per la sua costruzione, il suo funzionamento e il suo mantenimento.

Queste informazioni sono contenute nel DNA e vengono trasmesse di generazione in generazione, sempre che, oltre al "progetto", esista anche disponibilità di energia e di materiali da costruzione.

In questo senso si possono distinguere metabolismi_energetici e metabolismi_materiali.

Da un punto di vista ecologico gli organismi sono descritti in base ai loro metabolismi, cioè in termini di entrate e uscite di materia ed energia e di processi di trasformazione di entrambe.

 

 

 


Relazione tra produzione ed energia

La strategia di base del metabolismo è quella di formare ATP (riserva di energia) e NADPH (potere riducente), precursori essenziali per la biosintesi.

 

Attraverso i processi metabolici le sostanze nutrienti vengono trasformate in molecole molto semplici producendo contemporaneamente ATP e   NADPH.

 

ATP e  NADPH vengono utilizzati poi nella sintesi di macromolecole cellulari a partire da precursori più semplici come amminoacidi, zuccheri, ecc.

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DNA e RNA

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Il DNA, acido desossiribonucleico, è un acido nucleico responsabile dell'informazione genetica del nucleo della cellula, dove controlla la sintesi dell'acido ribonucleico RNA.

L'informazione genetica è contenuta in una sequenza complessa di DNA.

Questa sequenza costituisce un gene strutturale, che è una doppia elica formata da due lunghe catene di nucleotidi legate tra loro, come si vede nella raffigurazione a lato.

L'acido ribonucleico, RNA, funziona da trasmettitore dell'informazione genetica e controlla la sintesi delle proteine.

RNA funziona come un messaggero, poiché rappresenta uno "stampo" del DNA.

Su RNA può venire riprodotto il DNA di partenza, di cui RNA rappresenta come una "memoria".

 

 

 

 

 

 


Organizzazione

La materia non vivente presente nell'atmosfera, nell'acqua, nelle rocce, consiste in miscugli casuali di composti chimici semplici, con un'organizzazione strutturale relativamente scarsa; la materia vivente è invece formata da una struttura altamente organizzata di molecole, molte delle quali polimeriche (macromolecole).

Le molecole sono legate tra loro in raggruppamenti specifici e dinamici, come membrane, fibre, involucri. Queste strutture, chiamate organelli, si uniscono ancora per formare strutture complesse di ordine superiore, le cellule.

 

Riproduzione

Gli organismi viventi hanno la capacità di riprodursi, cioè di autoreplicarsi, dando luogo, generazione dopo generazione, a nuovi organismi che, salvo piccole possibili variazioni, conservano fedelmente i caratteri dell'organismo parentale.

 

Autoregolazione

I sistemi viventi possiedono un complesso sistema di processi di controllo dei loro metabolismi, tale da mantenerne le caratteristiche specifiche e da evitare scompensi dannosi per la loro esistenza.

 

 

 


Metabolismi energetici

Delle varie forme di energia disponibili, gli organismi viventi possono convertire in forma biologicamente utile soltanto l'energia luminosa o l'energia chimica fornita dalla scissione di legami molecolari; esiste quindi un rapporto tra energia_e_metabolismi.

Gli organismi che utilizzano l'energia luminosa (luce solare) si dicono fototrofi;

quelli che utilizzano l'energia chimica, chemiotrofi.

I processi che trasformano l'energia nei viventi sono la fotosintesi, la respirazione aerobia, la respirazione anaerobia e la chemiolitotrofia.

 

 

 

 


Fotosintesi

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Questo schema rappresenta, in modo estremamente semplificato, il rapporto tra respirazione e fotosintesi, dal punto di vista dei materiali iniziali e finali dei processi.

Per capire quanto questi processi siano complicati, bisogna cercare di analizzarne i vari stadi nella parte della biochimica del ciclo del carbonio.

 

 

 

 

 


Energia e metabolismi

La tabella presenta schematicamente:

- i tipi di energia che interessano la biochimica,

 

- i principali processi nei quali viene utilizzato quel tipo di energia,

 

- i donatori e gli accettori di elettroni che agiscono nelle reazioni ossidoriduttive specifiche,

 

- gli organismi attivi nei vari processi.

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Fototrofi

Un grande numero di organismi, chiamati appunto fototrofi, è in grado di effettuare la fotosintesi utilizzando energia luminosa:

piante verdi superiori,

alghe pluricellulari verdi, marroni e rosse,

alghe unicellulari, come gli euglenoidi, i dinoflagellati e le diatomee,

batteri verdi e rossi,

alghe cianoficee (in figura una loro immagine al microscopio)

cianific.bmp (70910 byte)

 

 

 

 

 

 

 

 


Chemiotrofi

Gli organismi chemiotrofi utilizzano energia tramite processi di ossidoriduzione.

Si distinguono in chemiorganotrofi, che traggono energia da molecole organiche e chemiolitotrofi, che traggono energia da sostanze inorganiche

Nei processi chemiotrofici vengono coinvolte molecole donatrici di elettroni (riducenti) e molecole accettrici (ossidanti) presenti nell'ambiente in quantità sufficientemente elevata.

Nelle reazioni metaboliche di ossidoriduzione possono funzionare sia da riducenti sia da ossidanti composti organici come pure inorganici.

 

 

 

 

 

 

 


Chemiorganotrofi

Sono chemiorganotrofi le piante, gli animali, i funghi e la maggior parte dei batteri che traggono energia da molecole organiche.

Se l'ossidante utilizzato è ossigeno gassoso, si parla di respirazione aerobia.

Questa viene utilizzata da organismi che vivono a contatto con l'atmosfera terrestre o con acque ossigenate.

Se l'ossidante è invece un composto inorganico diverso dall'ossigeno (come solfati, nitrati, ecc.), si parla di respirazione anaerobia.

Questo tipo di respirazione è limitata ad un ristretto numero di batteri, come i batteri denitrificanti, ed è particolarmente attiva in ambienti acquatici poveri o privi di ossigeno.

L'ossidoriduzione anaerobia di molecole organiche viene definita fermentazione.

 

 

 

 

 

 


Chemiolitotrofi

Sono chemiolitotrofi alcuni tipi di batteri, come i batteri nitrificanti, che traggono energia da molecole inorganiche.

La chemiolitotrofia è il processo di ossidoriduzione nel quale gli agenti riducenti sono molecole inorganiche, come composti dell'azoto in uno stato di ossidazione relativamente basso, (ammoniaca e nitriti) e l'ossidante è l'ossigeno.

Poiché l'energia ottenuta serve a ridurre l'anidride carbonica a molecole organiche più complesse, vengono definiti anche chemiosintetici, proprio in quanto ne permettono la sintesi.

 

 

 

 


Metabolismi materiali

I metabolismi materiali prevedono entrate_di_materia_negli_organismi ed uscite_di_materia_dagli_organismi.

In effetti ogni organismo, per poter crescere e riprodursi, ha bisogno di materiali in ingresso da utilizzare secondo il codice di informazione che esso possiede.

Ma il metabolismo di questi materiali implica anche che esso scarti materiali degradati (cataboliti) o in eccesso.

 

 

 

 

 

 


Entrate di materia negli organismi

Gli organismi necessitano di elementi nutritivi, C, N, O, H, P, S.

C è fondamentale: infatti i sistemi biologici sono costituiti soprattutto di suoi composti ridotti, le molecole organiche.

O e H sono disponibili nell'acqua e nell'atmosfera, ma O è presente in uno stato reattivo, mentre per ricavare H dall'acqua è necessaria una grande quantità di energia.

Per C e N, gli organismi possono utilizzare fonti diverse; in base alla forma chimica utilizzata, possono così essere distinti in autotrofi_ed_eterotrofi.

CO2 e N2 sono molto stabili ed inerti. Possono essere resi più reattivi, adatti cioè alle reazioni biosintetiche, mediante riduzione, ma con una grande spesa di energia e attraverso complesse reazioni chimiche che portano generalmente a molecole organiche.

I meccanismi di utilizzo della CO2 sono la fotosintesi e la chemiosintesi.

N2 viene ridotto in forma ammoniacale tramite un processo definito fissazione biologica dell'azoto. I soli organismi che possono fissare l'azoto atmosferico sono procarioti (alcuni eubatteri e cianobatteri).

 

 

 


Autotrofi ed eterotrofi

Gli organismi autotrofi possono utilizzare direttamente CO2 come fonte di carbonio utilizzando energia luminosa (autotrofi fotosintetici); o proveniente da sostanze inorganiche (autotrofi chemiosintetici).

Gli eterotrofi possono utilizzare solo carbonio in forma ridotta, come per esempio quello del glucosio.

Combinando tipi di materia ed energia si ottengono coppie di ingressi. Rispetto alle due funzioni fondamentali del sistema ecologico, produzione (riduzione di C) e consumo (ossidazione di C) di energia, ogni coppia caratterizza i grandi comparti entro cui si distribuiscono gli organismi viventi.

I batteri utilizzano tutte le coppie di ingressi.

I protisti tre, esclusa la litotrofia.

Funghi, piante, animali utilizzano ciascuno una sola coppia, in funzione della loro specializzazione evolutiva; le piante sono fotoautotrofe, i funghi e gli animali sono organotrofi (o eterotrofi) , i primi per assorbimento dal terreno di molecole organiche, gli altri per ingestione.

 

 

 

 


Uscite di materia dagli organismi

Gli organismi possono essere differenziati in base alle uscite, cioè alle sostanze che riversano nell'ambiente.

Comuni uscite sono sostanze organiche di nuova formazione o rielaborate. Le uscite sono comunque condizionate dalle entrate.

Prendiamo come esempio l'azoto e alcuni processi in cui è coinvolto:

PROCESSO

ENTRATE

USCITE

Nitrificazione

NH4+

NO3-

Denitrificazione

NO3-

N2

Assimilazione

NO3-

R-NH2

 

 

 

 


Batteri

Sono gli organismi più piccoli (0,2-0,3 micron) e semplici presenti nella maggior parte degli ambienti naturali.

La forma dei batteri può essere sferica (cocchi), cilindrica (bacilli), a virgola (vibrioni), a spirale (spirilli, mostrati in figura).

I batteri hanno cellula procariota, si moltiplicano per scissione binaria e si sono evoluti in due rami:

- eubatteri (che includono i comuni batteri che vivono nel suolo, nell'acqua e negli organismi viventi)

- cianobatteri (archeobatteri presenti in ambienti disagevoli come paludi, oceani profondi, sorgenti acide calde).

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batteri spirilliformi

Esistono strategie_diverse_dei_batteri per procurarsi energia e materia.

Questi metabolismi mutevoli fanno giocare ai batteri ruoli molto importanti nei cicli biogeochimici degli elementi: fotosintesi, chemiosintesi, decomposizioni, processi essenziali per riciclare gli elementi e i composti dai quali dipende la biosfera.

 

 

 


Strategie diverse dei batteri

In base alle strategie adottate per procurarsi l'energia, cioè ai loro metabolismi energetici, i batteri possono essere

fotosintetici

chemiosintetici

eterotrofi

aerobi

anaerobi

Per quanto riguarda invece i nutrienti necessari per i processi cellulari,. alcuni possono utilizzare molecole organiche come zuccheri e amminoacidi, ma anche rifiuti (come urea, acido urico etc.) di piante, animali, o di altri batteri; altri possono ricavare C e N direttamente da anidride carbonica e da azoto atmosferico.

 

 

 


Origine della biosfera

Il problema dell'origine della vita è quello di ricostruire il possibile percorso che, partendo da un insieme di diverse molecole semplici incapaci di riprodursi, è approdato ad un sistema di molecole che riproduce se stesso, capace cioè di assemblarsi automaticamente in due sistemi uguali.

Occorre chiarire mediante quale serie di reazioni chimiche sia sorto il sistema interdipendente di acidi nucleici

 e proteine.

In questo percorso, iniziato 4,8 miliardi di anni fa appaiono degli stadi particolarmente significativi.

I primi stadi (fase_dell’evoluzione_chimica) durati circa 1 miliardo di anni, comprendono processi come la formazione della Terra, della sua prima crosta terrestre e dell'atmosfera, la formazione di molecole biologiche, in primo luogo i biopolimeri (DNA, RNA e proteine e carboidrati), lo sviluppo di sistemi di reazioni chimiche necessarie per il collegamento di questi biopolimeri in modo tale da produrre le prime cellule viventi (vedi DNA, RNA e altri livelli di organizzazione degli organismi).

Gli stadi successivi (fase dell'evoluzione biologica) prevedono lo sviluppo di specie diverse attraverso la modificazione genetica e la selezione naturale delle prime cellule che si sono formate sulla Terra e degli organismi che derivano da esse.

 

 

 

 


DNA, RNA e altri livelli di organizzazione

RNADNA.bmp (100114 byte)

Le proteine agiscono anche da catalizzatori in diversi dei processi indicati.

 

 

 

 


Fase dell'evoluzione chimica

Considerazioni cosmologiche e geologiche consentono di ricostruire il possibile ambiente originario sulla superficie della Terra.

Ricerche sperimentali dimostrano che, in quelle condizioni, si può formare spontaneamente una notevole varietà di molecole e macromolecole organiche.

La materia prima per la sintesi di composti organici era fornita da gas atmosferici, compresi quelli liberati da fenomeni vulcanici, ossia CO2, CO, CH4, H2, N2, NH3, H2O, H2S; il suolo poteva contribuire con carbonati, grafite e metalli.

Fonti di energia efficaci potevano essere scariche elettriche e raggi ultravioletti.

Il primo esperimento sull'origine della vita fu effettuato con successo da Miller che dimostrò che l'azione di una semplice scarica elettrica su una miscela gassosa, simile a quella dell'atmosfera primordiale della Terra, portava alla formazione di composti organici tra i quali molti di quelli importanti nella costruzione dei viventi.

Altri ricercatori ottennero interessanti risultati studiando il chimismo prebiotico su diverse miscele gassose e con diverse fonti d'energia.

E' stato dimostrato, successivamente, che varie molecole sono in grado di dare polimeri. Uno spinoso punto in discussione è la priorità temporale dei polipeptidi o dei polinucleotidi.

 

 

 

 


Il primo esperimento sull'origine della vita

All'inizio degli anni '50 Miller ideò una apparecchiatura per saggiare l'effetto di scariche elettriche su una atmosfera primordiale ricostruita artificialmente, costituita da metano CH4, ammoniaca NH3, idrogeno H2 e vapore acqueo H2O.

L'apparecchio_di_miller aveva un'ampia camera in cui fluivano i gas e il vapore acqueo e dove, da due elettrodi, venivano emesse scariche elettriche.

Sotto la camera il vapore acqueo e i composti prodotti dalle scariche venivano raffreddati, condensati e raccolti.

Lasciando in funzione l'apparecchio raccolse una sorprendente varietà di composti organici: glicina ed etilglicina, alanina e metilalanina, valina, norvalina e isovalina, prolina, e inoltre acido aspartico, acido glutammico e diversi acidi ammino butirrici.

Fra questi Miller individuò alcuni degli amminoacidi e riuscì a spiegare come si fossero formati (reazioni_di_sintesi_della_glicina).

 

 


L'apparecchio di Miller

miller.bmp (51078 byte)

Lo schema, molto semplificato, permette di individuare gli elementi essenziali:

a è il serbatoio di acqua che, mediante il sistema riscaldante d, produce vapore acqueo;

il vapore sale e si mescola ai gas immessi attraverso i (metano, ammoniaca, idrogeno);

la miscela arriva alla camera di reazione b, in cui avvengono scariche elettriche prodotte dai due elettrodi e1 ed e2.

Il flusso gassoso entra quindi nel condensatore c e quindi la fase liquida che si forma torna al serbatoio a, da cui può venire prelevata per individuare i prodotti della reazione.

 

 

 

 

 

 

 

 


gly.bmp (43062 byte)

ala.bmp (43062 byte)

val.bmp (43062 byte)

glicina

alanina

valina

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ASP.bmp (41750 byte)

GLU.bmp (41750 byte)

prolina

acido aspartico

acido glutammico

 

 

 


Reazioni di sintesi della glicina

Nell'esperienza effettuata da Miller col suo apparecchio, per reazione tra i gas presenti nell'atmosfera primitiva, si sono formati anche composti organici semplici come aldeidi e anche acido cianidrico HCN.

 

Le aldeidi, con ammoniaca e acido cianidrico hanno prodotto amminonitrili.

 

Questi, per idrolisi, hanno a loro volta generato ammoniaca e amminoacidi, tra i quali il più abbondante fu la glicina.

SINGLY.bmp (125622 byte)

 

 

 

 

 

 

 

 


Priorità temporale dei polipeptidi o dei polinucleotidi

Il problema dell'origine della vita ha subito di recente una profonda revisione, in particolare sulla replicazione degli acidi nucleici e sulla sintesi delle proteine.

Oggi gli acidi nucleici sono sintetizzati solo grazie alla catalisi da parte di proteine e la sintesi di proteine e la loro conformazione richiedono sia l'informazione genetica sia l'assistenza di proteine catalizzatrici.

E' quindi difficile decidere se siano comparsi prima proteine o acidi nucleici.

RNA è la molecola chiave della nuova ipotesi.

Tutto è nato dalla scoperta dei  biologi molecolari Cech e Altman (1983) di una attività autocatalitica di RNA nei ribozimi, (tipi di RNA che potevano comportarsi come enzimi verso se stessi, tagliandosi in due e ricucendosi nuovamente).

Grazie a questa scoperta è stata formulata l'ipotesi che l'RNA potesse essere comparso per primo, dando origine a quello che viene definito un "mondo a RNA", un mondo cioè in cui RNA catalizzava tutte le reazioni necessarie per la sua sopravvivenza e riproduzione; ma occorreva spiegare come RNA prebiotico potesse duplicarsi senza l'intervento di proteine e catalizzare ogni fase della sintesi proteica.

Nell'ultimo decennio diverse scoperte hanno sembrato confermare e portare serie ragioni_per_l’ipotesi_del_mondo_a_RNA, che cioè RNA abbia effettivamente inventato la sintesi proteica e abbia portato all'avvento della vita basata su DNA, RNA e proteine.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


"Mondo a RNA"

Molti studiosi concordano ormai sull'ipotesi che:

- un antico mondo a RNA rappresenti un ponte fra la chimica dei composti semplici e i prototipi delle cellule complesse, basate sul DNA, che troviamo negli organismi attuali;

- l'attuale complesso meccanismo di trasferimento dell'informazione dai geni alle proteine sia il risultato di una lunga evoluzione iniziata quando RNA era l'unica molecola che svolgeva tutti i ruoli.

Nel mondo a RNA, l'origine della vita sarebbe dovuta alla comparsa_di_RNA_originari, con la capacità di replicarsi, di esplicare attività enzimatiche e di sintetizzare peptidi.

In seguito, il mondo basato su RNA si sarebbe specializzato con la comparsa del mondo attuale basato su DNA, diversi RNA e proteine (evoluzione del "mondo a RNA").

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Evoluzione del "mondo a RNA"

RNA formatosi da ribosio e altri composti organici, dopo aver imparato e replicarsi, inizia a sintetizzare proteine, catalizzatori più adatti perché i venti amminoacidi costituenti sono più versatili delle basi azotate di RNA (acidi nucleici).

Le proteine aiutano RNA a replicarsi, a sintetizzare proteine con più efficienza, a costruirsi versioni a doppio filamento che possono evolvere poi in DNA per trascrizione inversa.

Al procedere dell'evoluzione, DNA sostituisce RNA come materiale genetico, poiché la sua doppia elica è una forma più stabile e affidabile di deposito dell'informazione rispetto a RNA a singolo filamento. Il DNA si afferma, utilizza RNA per costruire proteine che a loro volta aiutano DNA a produrre copie di se stesso e a trasferire l'informazione genetica a RNA.

RNA mantiene dunque solo i ruoli attuali di trasportatore dell'informazione (mRNA), di adattatore nella sintesi proteica (tRNA), o di componente dei complessi che mediano l'espressione dei geni (RNA dei ribosomi).

L'attuale complicato meccanismo di trasferimento dell'informazione dai geni alle proteine è, dunque, il risultato di una lunga evoluzione iniziata quando RNA era l'unica molecola che svolgeva tutti i ruoli.

 

 

 

 

 

 

 

 


Comparsa di RNA originari

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La sintesi di RNA ancestrale e dei suoi precursori è ancora oggetto di congetture.

In effetti RNA e i suoi componenti sono difficili da sintetizzare in laboratorio anche nelle migliori condizioni sperimentali.

Si sa da tempo che il ribosio può essere ottenuto da una serie di reazioni tra molecole di formaldeide, ma questo processo produce anche altri zuccheri che potrebbero inibire la sintesi dello stesso RNA.

L'adenina si può ottenere da una miscela di acido cianidrico e ammoniaca in soluzione acquosa.

I nucleotidi di RNA potrebbero essersi formati per reazione di ribosio con basi azotate in presenza di fosfato inorganico.

In un secondo tempo i ribonucleotidi si sarebbero uniti per formare i polinucleotidi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Ragioni per l'ipotesi del mondo a RNA

Si ipotizza che RNA possa essere comparso per primo, dando origine a quello che viene definito "mondo a RNA", un mondo in cui RNA catalizzava tutte le reazioni necessarie per la sopravvivenza e la riproduzione.

Fino alla scoperta dei ribozimi (1983) si pensava che negli organismi attuali tutte le reazioni catalitiche fossero svolte da proteine e, in effetti, il termine "enzima" viene riservato di solito alle molecole proteiche.

I primi ribozimi identificati potevano fare poco più che tagliare e ricongiungere RNA preesistente; RNA si comportava da enzima, perciò si è consolidata l'idea che l'antico RNA avesse anche un'attività catalitica.

Ci sono, inoltre, alcune buone ragioni per favorire RNA rispetto a DNA come molecola in grado di dare origine al codice genetico.

Una di queste ragioni era la maggiore facilità di sintesi dei ribonucleotidi di RNA rispetto ai desossiribonucleotidi di DNA.

Era inoltre facile immaginare come RNA avesse potuto evolvere in DNA che, essendo più stabile, avrebbe potuto sottrargli il ruolo di custode dell'informazione genetica.

 

 

 

 

 


RNA

L'acido ribonucleico, RNA, trasmette l'informazione genetica e controlla la sintesi delle proteine.

RNA funziona come da messaggero, poiché rappresenta uno "stampo" del DNA.

Su RNA può venire riprodotto il DNA di partenza, di cui RNA rappresenta come una "memoria".

 

 

 

 

 

 

 

 


Termodinamica ed evoluzione

L'evoluzione dei viventi ha comportato un crescente accumulo_di_ordine_e_di_complessità, dalle molecole semplici, alle macromolecole, agli organismi unicellulari e ai pluricellulari.

L'organizzazione rappresenta una necessità termodinamica.

La tendenza all'associazione è favorita termodinamicamente perché i processi di associazione tra elementi, tra gruppi di elementi, di molecole e di aggregati celllulari, tra cellule, ecc. determina vincoli su elementi, molecole ed aggregati.

Tali vincoli implicano una riduzione della produzione_di_entropia, e ciò, a sua volta, ad un aumento di stabilità.

 

 

 

 

 

 

 

 


Accumulo di ordine

e di complessità

 

Lo schema presenta l’organizzazione delle varie strutture secondo una scala di complessità crescente verso l’alto; la complessità cresce assieme all’ordine del sistema.

A sinistra una definizione dell’insieme, a destra alcune tipologie di componenti dell’insieme di quel livello.

germol.bmp (174818 byte)

 

 

 

 

 

 

 

 


Produzione di entropia

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"L'evoluzione verso l'aumento di organizzazione è determinata dalla tendenza degli elementi allo stato libero alla formazione di associazioni stabili in quanto la produzione di entropia degli elementi associati è minore della somma delle produzioni di entropia degli elementi non associati." (Azzone)

"La vita traendo energia da una sorgente esterna al pianeta e riciclando all'infinito i propri costituenti secondo un modello a minima entropia si è potuta evolvere e differenziare in un'organizzazione crescente." (Tiezzi)

 

 

 

 


Urea

UREA.bmp (24310 byte)

L'urea è un semplice composto che si può considerare sia organico (è anche un prodotto del metabolismo animale), sia inorganico, tanto che la sua sintesi da cianato di ammonio, effettuata per la prima volta da Woehler nel 1822 è partita appunto da una sostanza di natura inorganica.

L'urea è stata infatti allora ottenuta per riarrangiamento termico di NH4CNO, a sua volta prodotto da NH4Cl e AgCNO.

Viene comunemente usata come fertilizzante azotato.

 

 

 

 


Proteine

Le proteine sono combinazioni lineari di venti amminoacidi.

Lo scheletro (backbone) della catena è costituito da una sequenza di legami peptidici (-CO-NH-CHR-) conseguente alla policondensazione degli amminoacidi.

 

 

STRUPRO.bmp (81718 byte)

 

Nei legami peptidici è evidente la ripetizione, lungo lo scheletro del polimero, della sequenza –N-C-C-

 

 

 

 

 

 


Processi fermentativi

Per fermentazione si intende la degradazione_anaerobica_del_glucosio.

In molti organismi che vivono in ambienti anaerobici l'ossidazione del glucosio, GLU è limitata alla prima fase, la glicolisi. L'agente ossidante, NAD+, si riduce a NADH, ma la concentrazione di NAD+ nelle cellule è bassa ed è necessaria una reazione che lo rigeneri. Se così non fosse, NAD+ passerebbe tutto alla forma ridotta (che non può funzionare da ossidante) e la glicolisi si fermerebbe. Diversamente dagli organismi aerobi, gli anaerobi non possono rigenerare NAD+ riducendo l'ossigeno; possono però sfruttare una reazione in cui NADH riduce una molecola, per esempio l'acido piruvico, PYA.

Nella fermentazione lattica infatti l'acido piruvico, PYA viene ridotto ad l'acido lattico, LAA:

NADH + PYA = NAD+ + LAA

Analogamente, nella fermentazione alcolica, l'acido piruvico, PYA viene ridotto a etanolo, EtOH.

Le strutture delle molecole sono in figura: GLU_PYA_LAA_EtOH

Rispetto alla respirazione completa questi processi sono inefficienti poiché i prodotti, eliminati come scorie (LAA o EtOH), contengono ancora gran parte dell'energia presente nel glucosio (bilancio_energetico_della_fermentazione).

 

 

 

 

 

 

 

 

 


glucosio GLU, acido piruvico PYA, acido lattico LAA, etanolo EtOH

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PYA.bmp (17318 byte)

laa.bmp (17318 byte)

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Bilancio energetico della fermentazione

La glicolisi rilascia solo una piccola parte dell'energia totale disponibile del glucosio, GLU. Quando GLU viene completamente ossidato a CO2 e H2O, la variazione di energia libera standard è DG° = - 686 kcal/mole.

Nella fermentazione lattica:

GLU + 2Pi + ADP = 2 LAA + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

la variazione di energia libera standard è DG° = - 32,4 kcal/mole

Quindi la degradazione del glucosio, GLU ad acido lattico, LAA produce meno del 5% dell'energia totale che può essere liberata nell'ossidazione completa.

 

 

 

 

 

 

 


Degradazione anaerobica del glucosio

degrana.bmp (96342 byte)

Nella respirazione, che avviene in ambiente aerobico, NADH viene riossidato a NAD dalla catena respiratoria, con riduzione finale di O2 ad H2O.

Nella fermentazione, che avviene in ambiente anaerobico, NAD si rigenera da NADH direttamente a spese di PYA e con produzione di LAA, acido lattico, che viene eliminato come scoria, senza che venga totalmente sfruttata la sua energia.

Le strutture delle molecole sono rappresentate nella figura GLU_PYA_LAA_EtOH

Si può anche analizzare il ciclo di Krebs o dell'acido citrico.

 

 

 

 

 

 


Ciclo dell'acido citrico o di Krebs

Il ciclo dell'acido citrico o ciclo_di_krebs è la fase conclusiva dell'ossidazione delle molecole nutritive, fase che presuppone la loro preventiva degradazione, con la produzione di gruppi acetili dell'acetil-CoA.

Mentre le reazioni enzimatiche della glicolisi avvengono secondo una sequenza lineare, queste avvengono in maniera ciclica a causa della resistenza all'ossidazione del gruppo acetile.

Secondo il modello accettato, sono previste otto tappe_del_ciclo_dell’acido_citrico.

In ogni giro del ciclo si ha ossidazione di un gruppo acetile (che entra come acetil-CoA) a CO2; alla fine si ottiene una molecola di ossalacetato (OXA).

Nelle quattro reazioni di ossidoriduzione del ciclo 3 coppie di elettroni sono trasferite a NAD+ e una coppia a FAD. Questi trasportatori ridotti sono in seguito riossidati dalla catena di trasporto degli elettroni formando 11 molecole di ATP.

OXA.bmp (24694 byte)

Un altro legame ad alta energia si forma direttamente nel ciclo; in totale si formano quindi 12 legami fosforici ad alta energia. La velocità del ciclo dipende dalle esigenze energetiche (cioè di ATP) della cellula (regolazione_del_ciclo_dell’acido_citrico).

 

 

 

 

 


Produzione di gruppi acetili dell'acetil-CoA

II legame fra glicolisi e ciclo dell'acido citrico è la decarbossilazione ossidativa del piruvato per formare acetil-coenzima A (AcCoA o acetil-CoA).

Nei mitocondri, l'acido piruvico (PYA, a 3 atomi di C) viene "accorciato" ad acetile (a 2 atomi di C) attraverso reazioni successive che comprendono decarbossilazione e deidrogenazione:

CH3COCOOH = CH3CO- + 2e +2 H+ + CO2

Il gruppo acetile è trasferito ad un accettore, detto coenzima A, per produrre l'acetil-CoA, ad alta energia.

pya.bmp (17318 byte)

L'insieme delle reazioni di decarbossilazione ossidativa dell'acido piruvico forma come prodotto netto, acetil-CoA, NAD ridotto (NADrd) e CO2:

PYA + NADox + CoA = AcCoA + NADrd + CO2

 

 

 

 

 


Tappe del ciclo dell'acido citrico

Il ciclo inizia con la condensazione dell'ossalacetato (OXA) con l'acetil-CoA per formare citrato (CIA), poi isomerizzato ad isocitrato (ICA). Questo, per decarbossilazione, produce alfa-chetoglutarato (CGA)

oxa.bmp (24694 byte)

cia.bmp (24514 byte)

ica.bmp (24514 byte)

cga.bmp (34342 byte)

 

sua.bmp (22406 byte)

FUA.bmp (20102 byte)

maa.bmp (18790 byte)

La seconda molecola di CO2 viene liberata nella reazione successiva in cui l'alfa-chetoglutarato viene decarbossilato ossidativamente a succinato (SUA).

Il succinato è ossidato poi a fumarato (FUA) e quindi idratato a malato (MAA).

Infine il malato viene ossidato per rigenerare l'ossalacetato (OXA).

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Resistenza all'ossidazione del gruppo acetile

Per ossidare l'acetato direttamente a due molecole di anidride carbonica sono necessarie condizioni abbastanza drastiche, incompatibili con l'ambiente cellulare.

Le cellule hanno "inventato", durante l'evoluzione, una via facile, ma tortuosa, per ossidare l'acido acetico, una via che ha una energia di attivazione più bassa: le cellule hanno imparato a combinare l'acido acetico con un'altra molecola, l'ossalacetato (OXA), per dare un prodotto, il citrato (CIA), molto più facile da ossidare dell'acetato stesso.

oxa.bmp (24694 byte)

cia.bmp (24514 byte)

 


Ciclo di Krebs

KREBS.bmp (113254 byte)

Il ciclo è piuttosto complesso e comporta una lunga serie di processi biochimici, catalizzati da molti enzimi.

Le molecole che individuano le varie fasi del ciclo sono indicate con una sigla che le caratterizza.

E' possibile vedere, tutte assieme e in sequenza, le formule di struttura delle molecole che partecipano al ciclo di Krebs per comprendere quali tipi di reazioni avvengano di volta in volta.


Formule di struttura delle molecole che partecipano al ciclo di Krebs

Ricordando comunque che si tratta di un "ciclo", possiamo considerare di partire da (OXA):

oxa.bmp (24694 byte)

cia.bmp (24514 byte)

CAA.bmp (26418 byte)

ica.bmp (24514 byte)

cga.bmp (34342 byte)

sua.bmp (22406 byte)

FUA.bmp (20102 byte)

maa.bmp (18790 byte)

Da (MAA) il ciclo ricomincia poiché si rigenera (OXA).

 


Regolazione del ciclo dell'acido citrico

ATP, NADH, AcCoA e Ca++ controllano la velocità di formazione di AcCoA dal piruvato.

La velocità del ciclo dell'acido citrico è regolata invece dalla concentrazione di ossalacetato (OXA), dall'attività della citrato sintetasi e della isocitrato deidrogenasi.

Si possono vedere le strutture molecolari dei componenti del ciclo dell'acido citrico.

REGOCITR.bmp (54206 byte)

 

 

 

 

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