La vita: uno straordinario intreccio di catene

AVETE mai pensato che il vostro corpo non è altro che un insieme di microscopiche catene? Forse no. Eppure “a livello dei suoi componenti più piccoli”, spiega un libro di biologia, la vita utilizza “la catena come struttura fondamentale”. (The Way Life Works) Per questo motivo, anche un piccolo difetto in alcune di queste catene può avere gravi ripercussioni sulla nostra salute. Quali sono queste “catene della vita”? Come funzionano? E come influiscono sulla nostra salute?

Fondamentalmente esistono due categorie principali di molecole simili a catene. In questo articolo parleremo delle proteine. Nell’altra categoria ci sono le molecole che immagazzinano e trasmettono l’informazione genetica: il DNA e l’RNA. Naturalmente, c’è uno stretto legame fra queste due categorie di molecole: una funzione fondamentale del DNA e dell’RNA è proprio quella di produrre tutti i tipi di proteine.

Catalizzatori, guardiani e pilastri

Fra tutte le molecole di grandi dimensioni che la vita utilizza, le proteine sono di gran lunga le più diversificate. In questa famiglia rientrano anticorpi, enzimi, proteine che fungono da messaggeri, proteine strutturali e trasportatori. La vasta schiera di anticorpi, detti anche immunoglobuline, difende l’organismo dalle invasioni di agenti estranei come batteri e virus. Altre globuline contribuiscono ad arrestare le emorragie quando i vasi sanguigni subiscono qualche lesione.

Gli enzimi fungono da catalizzatori, ovvero accelerano le reazioni chimiche, ad esempio quelle legate alla digestione. “Senza gli enzimi moriremmo ben presto di fame”, spiega un libro, “perché impiegheremmo 50 anni per digerire un normale pasto”. (The Thread of Life) Gli  enzimi lavorano come in una catena di montaggio: ognuno ha un compito specifico. Ad esempio, la maltasi scinde il maltosio (uno zucchero) in due molecole di glucosio. La lattasi scinde il lattosio, o zucchero del latte. Altri enzimi uniscono atomi e molecole per formare nuove sostanze. E gli enzimi svolgono il loro lavoro con una velocità impressionante: una singola molecola di enzima può catalizzare migliaia di reazioni chimiche ogni secondo!

Anche gli ormoni sono proteine, e fungono da messaggeri. Una volta immessi in circolo, stimolano o inibiscono l’attività di certi organi. L’insulina, ad esempio, stimola le cellule ad assorbire il glucosio, la loro fonte di energia. Le proteine strutturali, come il collagene e la cheratina, sono i principali componenti di cartilagine, peli e capelli, unghie e pelle. Tutte queste proteine sono “l’equivalente, a livello cellulare, di pilastri, travi, compensato, cemento e chiodi”. — The Way Life Works.

Le proteine di trasporto si trovano nelle membrane cellulari e sono come delle pompe o dei tunnel, in quanto permettono l’ingresso e l’uscita di materiali dalle cellule. Ora vediamo di cosa sono fatte le proteine e che relazione c’è tra la loro struttura a catena e la loro funzione.

Strutture complesse a partire da elementi semplici

Molte lingue possiedono un alfabeto. Combinando le lettere di questo alfabeto si formano le parole. A sua volta, combinando le parole si formano frasi. A livello molecolare, la vita utilizza un principio simile. Il DNA provvede un “alfabeto” fondamentale. Fatto sorprendente, questo “alfabeto” consiste di sole quattro lettere: A, C, G e T, che rappresentano le basi azotate adenina, citosina, guanina e timina. Utilizzando queste quattro basi, il DNA (con l’aiuto dell’RNA) forma gli amminoacidi, che si potrebbero paragonare a parole. A differenza delle normali parole, però, tutti gli amminoacidi hanno lo stesso numero di lettere: tre. I ribosomi, gli “assemblatori di proteine”, legano gli amminoacidi in lunghe catene dando luogo alle proteine, che si potrebbero paragonare a frasi. Una proteina media può contenere dai 300 ai 400 amminoacidi: un numero molto superiore a quello delle parole che formano una frase della lingua parlata o scritta.

Come spiegano i libri di biologia, in natura esistono centinaia di amminoacidi,  ma solo una ventina d’essi entrano a far parte della composizione della maggior parte delle proteine. Questi amminoacidi si possono disporre in un numero enorme di sequenze. Pensate: le combinazioni che si possono ottenere concatenando 100 amminoacidi, ciascuno dei quali può essere scelto fra 20 tipi diversi, sono ben più di 10¹⁰⁰ (1 seguito da 100 zeri)!

Forma e funzione delle proteine

La funzione che le proteine svolgono all’interno della cellula è strettamente legata alla loro forma. In che modo la sequenza degli amminoacidi che costituiscono una proteina ne influenza la forma? A differenza degli anelli di una catena di metallo o di plastica, gli amminoacidi si legano tra loro secondo angoli ben precisi, formando quindi strutture regolari. Alcune di queste si avvolgono a spirale come il filo di certi telefoni, altre sono ripiegate su se stesse come un tessuto plissettato. Queste strutture, a loro volta, si “ripiegano” formando una struttura tridimensionale più complessa. La forma di una proteina, quindi, non è affatto lasciata al caso. Essa è infatti determinante perché la proteina possa svolgere la sua funzione. Questo diventa evidente quando vi è un difetto nella catena degli amminoacidi.

Quando la catena ha un difetto

Se la sequenza degli amminoacidi è difettosa o se le proteine non sono piegate correttamente possono verificarsi varie malattie, come l’anemia falciforme e la fibrosi cistica. L’anemia falciforme è una malattia genetica in cui le molecole di emoglobina nei globuli rossi sono anomale. Una molecola di emoglobina consiste di 574 amminoacidi disposti in quattro catene. Basta che un solo amminoacido sia fuori posto in due delle quattro catene perché l’emoglobina diventi anomala e dia luogo all’anemia falciforme. Quanto alla fibrosi cistica,  nella maggior parte dei casi è dovuta al fatto che in uno specifico punto della catena di amminoacidi di una proteina manca l’amminoacido fenilalanina. Una delle conseguenze di questo difetto è che si altera la quantità di sale e acqua presenti nelle membrane che rivestono l’intestino e i polmoni, così che il muco che le ricopre diventa denso e vischioso.

Una grave carenza o l’assenza di certe proteine dà luogo a malattie come l’albinismo o l’emofilia. Nella sua forma più comune l’albinismo, una carenza di pigmentazione, si ha quando un’importante proteina detta tirosinasi è difettosa o manca del tutto. Questo compromette la produzione di melanina, un pigmento bruno che nell’uomo è normalmente presente negli occhi, nei capelli e nella pelle. L’emofilia è provocata da livelli molto bassi o dall’assenza di fattori proteici che contribuiscono alla coagulazione del sangue. Tra gli altri disturbi attribuiti a proteine difettose ci sono l’intolleranza al lattosio e la distrofia muscolare, per fare solo due esempi.

Un’ipotesi sull’origine di alcune malattie

Negli ultimi anni gli scienziati hanno concentrato la loro attenzione su una malattia che secondo alcuni deriverebbe da una proteina dalla forma anomala detta prione. L’ipotesi è che questa malattia insorga quando alcuni prioni difettosi si legano a proteine normali, determinando in queste proteine piegature anomale. Il risultato, afferma la rivista Scientific American, è “una reazione a catena che diffonde la malattia e genera nuovo materiale infettivo”.

La prima volta che si cominciò a parlare di una malattia probabilmente dovuta a prioni fu negli anni ’50, in Papua Nuova Guinea. Certe tribù isolate praticavano una forma di cannibalismo rituale, e questo portava a una malattia detta kuru, con sintomi simili a quelli della malattia di Creutzfeldt-Jakob. Quando le tribù abbandonarono questo rituale i casi di kuru diminuirono drasticamente, e ora la malattia è praticamente scomparsa.

Un progetto straordinario

Meno male che in genere le proteine sono piegate in maniera corretta e svolgono i propri compiti con uno straordinario grado di cooperazione, efficienza e accuratezza. Questo è notevole se si pensa che nel nostro organismo ci sono più di 100.000 tipi di proteine, catene complesse piegate in migliaia di modi diversi.

Il mondo delle proteine è ancora in gran parte da scoprire. Per conoscerlo meglio c’è chi sta mettendo a punto sofisticati programmi per computer in grado di prevedere la forma delle proteine a partire dalla sequenza di amminoacidi da cui sono composte. Comunque sia, anche il poco che sappiamo su di esse fa capire chiaramente che queste “catene della vita” non solo possiedono un altissimo livello di organizzazione, ma riflettono anche una profonda intelligenza.

[Riquadro/Immagine a pagina 27]

“Codici postali” per le proteine

Per velocizzare la consegna della posta, in molti paesi è richiesto che l’indirizzo del destinatario di ogni lettera includa un codice di avviamento postale. Il Creatore ha fatto qualcosa di simile per far sì che le proteine sappiano dove andare all’interno della cellula. Questo è importantissimo perché l’interno di ogni cellula è alquanto trafficato, dal momento che vi si trovano fino a un miliardo di proteine. Nonostante questo, le proteine appena fabbricate riescono sempre ad andare dove devono grazie a un “codice postale” molecolare, una speciale sequenza di amminoacidi contenuta nelle proteine stesse.

Nel 1999 lo studioso di biologia cellulare Günter Blobel ha vinto il premio Nobel per aver scoperto questo affascinante meccanismo. Blobel, però, non ha fatto che scoprire qualcosa che già esisteva. Non sarebbe logico attribuire ancora più onore al Creatore della cellula e della straordinaria varietà di molecole in essa contenute? — Rivelazione (Apocalisse) 4:11.

[Diagramma/Immagini alle pagine 24 e 25]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Come si producono le proteine?

Cellula

1 Le istruzioni per assemblare ciascuna proteina sono contenute nel DNA, all’interno del nucleo della cellula

DNA

2 Un tratto di DNA si apre, a mo’ di cerniera lampo, e l’informazione genetica viene copiata in un filamento di RNA messaggero

RNA messaggero

3 I ribosomi (che leggono i messaggi e assemblano le proteine) si legano all’RNA

4 Le molecole di RNA transfer trasportano gli amminoacidi verso il ribosoma

Singoli amminoacidi

RNA transfer

Ribosoma

5 Man mano che “legge” l’RNA, il ribosoma unisce fra loro i singoli amminoacidi in un ordine specifico formando una catena: la proteina

Le proteine sono formate da amminoacidi

6 La catena proteica deve essere ripiegata in un modo preciso per svolgere il suo compito. Si pensi che una proteina media è una sequenza di oltre 300 “anelli”!

Proteina

Nel nostro organismo ci sono più di 100.000 tipi di proteine, che sono essenziali per la vita

Anticorpi

Enzimi

Proteine strutturali

Ormoni

Trasportatori

[Diagramma/Immagini a pagina 25]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Come fa il DNA a codificare le informazioni per ogni proteina?

DNA G T C T A T A A G

Il DNA si serve di sole quattro “lettere”: A, T, C, G

A T C G

Le lettere codificate nel DNA vengono trascritte dall’RNA. L’RNA usa la U (uracile) al posto della T

A U C G

A ogni sequenza di tre lettere corrisponde una specifica “parola”, o amminoacido. Ad esempio:

G U C = valina

U A U = tirosina

A A G = lisina

In questo modo si possono codificare tutti e 20 gli amminoacidi comuni. Le “parole” vengono concatenate per formare una “frase”: la proteina

[Diagramma/Immagini a pagina 26]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Come fa una proteina ad assumere la sua forma?

I singoli amminoacidi vengono uniti l’uno all’altro...

1 formando una catena, la quale...

2 dà luogo a strutture come spirali o pieghe, per poi...

Spirali

Pieghe

3 ripiegarsi creando una struttura tridimensionale più complessa, la quale...

4 può essere solo una piccola parte di una proteina complessa

[Immagine a pagina 26]

Questo modello elaborato al computer riproduce una parte di una proteina ribosomiale usando i colori per evidenziarne la tridimensionalità. Le strutture che la compongono sono indicate da spirali e da frecce (corte sezioni ripiegate su se stesse)

[Fonte]

The Protein Data Bank, ID: 1FFK; Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P.B., Steitz, T.A.: The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 A Resolution, Science 289 pp. 905 (2000)

[Fonte dell’immagine a pagina 24]

Disegni adattati da: THE WAY LIFE WORKS by Mahlon Hoagland and Bert Dodson, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Used by permission of Times Books, a division of Random House, Inc.