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La biologia è un argomento enorme. Il pianeta Terra contiene una serie impressionante di forme di vita. Sappiamo già dell’esistenza di 286.000 specie di piante da fiore, 500.000 specie di funghi e 750.000 specie di insetti. Inoltre, molte altre specie vengono ancora scoperte. Cinquant’anni fa, la scienza della biologia era divisa in discipline separate, ognuna delle quali analizzava la vita ad un livello diverso. C’era la morfologia, la fisiologia, la biochimica, la tassonomia, l’ecologia, la genetica e così via, il tutto lavorando in gran parte in compartimenti accademici separati. Tuttavia, le scoperte della genetica hanno fornito alcuni dei più importanti temi unificanti per l’intera biologia, così che ora i fili concettuali collegano le sottodiscipline.

Il principale filo tematico fornito dalla genetica è letteralmente un filo, la molecola genetica DNA. Ora sappiamo che il DNA è la base informativa alla base di tutti i processi e le strutture della vita. La molecola del DNA ha una struttura che rende conto di due delle proprietà chiave della vita, la riproduzione e la generazione di forme. Impareremo in questo libro che il DNA è una struttura a doppia elica il cui disegno intrinseco è tale che può essere replicato per fare due copie identiche. La replicazione del DNA è la base di tutta la riproduzione, cellulare e organica. Il DNA si replica prima della divisione cellulare, e questo permette ai cromosomi di dividersi in cromatidi, che alla fine diventano cromosomi figli, che passano nelle cellule figlie. Questo processo di replicazione e di formazione dei cromatidi è essenzialmente simile durante la divisione delle cellule asessuali e sessuali, ed è schematizzato nella Figura 1-8. (Si noti, tuttavia, che i due tipi di divisione cellulare hanno molte differenze, che affronteremo nei capitoli successivi). Quindi vediamo che è la proprietà della replicazione del DNA che permette alle repliche di cellule e organismi di essere fatte e persistere nel tempo (Figura 1-9). Così il DNA può essere visto come il filo che ci collega a tutti i nostri antenati evolutivi. Inoltre, il DNA genera la forma perché scritto nella sequenza lineare degli elementi costitutivi di una molecola di DNA è un codice che contiene le istruzioni per costruire un organismo; possiamo considerarlo come informazione, o “ciò che è necessario per dare forma”. Le caratteristiche uniche di una specie, siano esse strutture o processi, sono sotto l’influenza delDNA. Così, alla base delle strutture studiate dai morfologi, delle reazioni studiate dai fisiologi, delle omologie studiate dagli evoluzionisti, e così via, vediamo il filo conduttore della molecola di DNA.

Figura 1-8

Quando si formano nuove cellule, la replicazione del DNA permette a un cromosoma di diventare una coppia di cromatidi, che alla fine diventano cromosomi figli e passano nelle nuove cellule.

Figura 1-9

La replicazione del DNA è la base della perpetuazione della vita nel tempo.

Il DNA funziona praticamente allo stesso modo in tutti gli organismi. Questo di per sé fornisce un altro tema unificante, ma in aggiunta significa che ciò che impariamo in un organismo può spesso essere applicato in linea di principio agli altri. Per questo motivo, la genetica ha fatto ampio uso di organismi modello, molti dei quali appariranno nelle pagine di questo libro. Infatti, i progressi fatti nella genetica umana negli ultimi decenni sono stati possibili in gran parte grazie ai progressi fatti con tali organismi modello come i batteri e i funghi.

La genetica ha anche fornito alcuni degli approcci analitici più incisivi ora utilizzati in tutto lo spettro delle discipline biologiche. La più importante è la tecnica della dissezione genetica. In questo approccio sperimentale, qualsiasi struttura o processo può essere smontato, o “sezionato”, guardando come i geni mutanti lo influenzano. Studiando l’anormalità, possiamo dedurre il caso normale. Per esempio, nello studio dello sviluppo di organismi adulti a partire da un uovo fecondato, ogni gene mutante che produce un’anomalia di sviluppo identifica un componente del normale processo di sviluppo. La dissezione genetica di ceppi mutanti paralizzati di vermi nematodi ha portato alla comprensione dei geni che controllano il movimento normale. Il quadro generale di un particolare processo può essere assemblato mettendo in relazione tutti questi componenti controllati geneticamente.

Abbiamo visto che l’ingegneria genetica molecolare ha aperto nuove prospettive nella biotecnologia applicata, ma le stesse tecniche sono altrettanto utili nella ricerca di base.Gli scienziati hanno manipolato i geni nel lievito per produrre cromosomi totalmente artificiali e funzionali che possono portare enormi quantità di DNA extra per specifici scopi sperimentali. Anche cromosomi umani artificiali sono stati fatti recentemente, e questi possono essere introdotti in cellule di mammiferi, umani e non. La capacità di isolare un agene in una provetta, di modificarne la struttura in modi specifici e poi di reinserirlo nell’organismo ha fornito il più affilato dei bisturi per la dissezione genetica.

Un’altra tecnica di successo è l’uso di geni specifici come marcatori.Proprio come si potrebbero usare etichette colorate per marcare animali o piante in qualche studio biologico, i genetisti usano certe forme facilmente rilevabili di geni per tenere traccia di strutture-cromosomi, cellule o individui. Questa tecnica ha trovato applicazione in tutta l’ampiezza delle discipline biologiche, dalla medicina legale alla cellbiologia all’evoluzione e all’ecologia. Per esempio, i geni per le malattie umane vengono ora isolati in virtù della loro vicinanza cromosomica a sequenze di marcatori non correlati (la tecnica della clonazione posizionale). Con la capacità di spostare i geni da organismo a organismo, i genetisti hanno sostituito i geni residenti con geni “reporter”, le cui funzioni sono più facili da rilevare e studiare sperimentalmente. (Il gene luciferasi delle lucciole è stato usato in questo modo; il gene può essere inserito nei cromosomi animali o vegetali in modo tale da far brillare le cellule in qualsiasi stadio di sviluppo il gene originale in quella posizione fosse attivo. Anche l’agene per la proteina verde fluorescente della medusa è usato come reporter. I topi con questo gene brillano di verde sotto irradiazione UV (Figura 1-10). Complessivamente, l’ingegneria genetica ha rivoluzionato le scienze biologiche, e nessun biologo oggi può permettersi di ignorare questo potente strumento analitico.

Figura 1-10

Topo transgenico contenente il gene della medusa per la proteina verde fluorescente inserito nei loro cromosomi. (KYODO News International/AP.)

Forse la più grande storia di successo biologico di tutte è il chiarimento di come precisamente i geni fanno il loro lavoro, in altre parole, come l’informazione diventa forma. È una storia affascinante che si è sviluppata con sorprendente rapidità. Oggi la codifica e il flusso di informazioni genetiche nelle cellule sono i fondamenti del pensiero biologico moderno e le basi da cui partono le esplorazioni sperimentali. Vale la pena riassumere i punti salienti di come scorre l’informazione genetica o, equivalentemente, di come agiscono i geni, che è stato chiamato il nuovo paradigma della biologia. La figura 1-11 mostra diagrammaticamente gli elementi essenziali dell’azione genica in una cellula generalizzata di un eucariote. Gli eucarioti sono quegli organismi le cui cellule hanno un nucleo legato ad una membrana. Animali, piante e funghi sono tutti eucarioti. All’interno del nucleo si trova una serie di cromosomi, e all’esterno del nucleo si trova una complessa serie di strutture membranose, tra cui il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi, e organelli come i mitocondri e i cloroplasti.

Figura 1-11

Vista semplificata dell’azione genica in una cellula eucariotica. Il flusso di base dell’informazione genetica è dal DNA all’RNA alla proteina. Sono mostrati quattro tipi di geni. Il gene 1 risponde a segnali regolatori esterni e produce una proteina da esportare; il gene 2 risponde a (più…)

All’interno del nucleo eucariotico, alcuni geni codificanti proteine sintetizzano il loro prodotto proteico più o meno costantemente, ma altri devono essere accesi e spenti per soddisfare le esigenze della cellula o dell’organismo. Il segnale per attivare un gene può provenire dall’esterno della cellula, per esempio da una sostanza come un ormone steroideo. O il segnale può provenire dall’interno della cellula, per esempio, da un gene regolatore speciale il cui compito è quello di accendere e spegnere altri geni. Le sostanze regolatrici si legano a una regione speciale del gene e iniziano la sintesi dei trascritti del DNA del gene. Intervallati nella regione codificante le proteine di un gene eucariotico ci sono segmenti che non sono destinati a essere tradotti in proteine. Queste regioni non codificanti del gene sono chiamateintroni; queste sono tagliate dalla trascrizione iniziale. La restante sequenza di RNA costituisce l’RNA messaggero. Le molecole di mRNA passano attraverso i pori nucleari nel citoplasma, dove gli organelli citoplasmatici chiamati ribosomi si legano all’mRNA e traducono le informazioni nella sequenza di mRNA in proteine. L’mRNA passa attraverso i ribosomi, che catalizzano l’assemblaggio del polipeptide, la stringa di aminoacidi che costituirà la struttura primaria della proteina. Ogni amminoacido è portato al ribosoma da una molecola di RNA di trasferimento aspecifico (tRNA) che si aggancia a una specifica unità di codifica dell’mRNA. I tRNA sono sintetizzati da speciali geni tRNA. Nessun tRNA è mai tradotto in proteina; si riciclano costantemente, consegnando il loro specificaminoacido ai ribosomi. Il ribosoma stesso è fatto di un complesso insieme di proteine più diversi tipi di RNA chiamato RNA ribosomiale (rRNA). I geni per l’rRNA si trovano in una speciale regione cromosomica chiamata organizzatore nucleolare. Come il tRNA, l’rRNA non viene mai tradotto in proteine.

MESSAGGIO

I geni codificanti le proteine funzionano attraverso due fasi di trasferimento delle informazioni:

Ogni gene codificante una proteina separata, con funzioni specifiche sia all’interno della cellula (per esempio, la proteina quadrata nella Figura 1-11) o per l’esportazione in altre parti dell’organismo (la proteina circolare). La sintesi delle proteine per l’esportazione (proteine secretorie) avviene suiribosomi che si trovano sulla superficie del reticolo endoplasmatico ruvido, un sistema di grandi vescicole appiattite. Le catene di amminoacidi completate vengono passate nel lume del reticolo endoplasmatico, dove si ripiegano spontaneamente per assumere la loro forma proteica. Le proteine possono essere modificate in questa fase, ma alla fine vengono passate nelle camere dell’apparato di Golgi, e poi nei vasi secretori che si fondono con la membrana cellulare e rilasciano il loro contenuto all’esterno.

Le proteine destinate a funzionare nel citosol, e la maggior parte delle proteine che funzionano nei mitocondri e nei cloroplasti, vengono sintetizzate nel citosol su ribosomi non legati alle membrane. Per esempio, le proteine che funzionano come enzimi nella glicolisi seguono questo percorso. La sintesi proteica avviene con lo stesso meccanismo usando gli stessi tipi di tRNA. La proteina completata si stacca dal ribosoma e si ripiega nella sua forma corretta nel citosol. Le proteine destinate agli organelli sono appositamente etichettate per essere inserite nell’organello. Inoltre, i mitocondri e i cloroplasti hanno le proprie piccole molecole di DNA circolare. La sintesi delle proteine codificate dai geni sul DNA mitocondriale o cloroplastico avviene sui ribosomi all’interno degli stessi organelli. Perciò le proteine nei mitocondri e nei cloroplasti sono di due origini diverse, o codificate dal nucleo e importate nell’organello, o codificate dall’organello e sintetizzate all’interno del dipartimento dell’organello.

I procarioti sono organismi come i batteri le cui cellule hanno una struttura più semplice; non ci sono nuclei o altre strutture legate alla membrana nelle cellule. La sintesi proteica nei procarioti generalmente assomiglia a quella negli eucarioti, usando mRNA, tRNA e ribosomi, ma ci sono alcune importanti differenze. Per esempio, i procarioti non hanno introni.