È stimato che oggi sulla terra sono presenti da 10*10 a ... · organismi viventi Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule ... metano e l’idrogeno, formava una miscela

È stimato che oggi sulla terra sono presenti da 10*106 a 100*106 specie viventi

Enorme diversità di forme

Costanza di struttura interna

La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi

Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule

Non esiste alcuna forma di vita se non a livello cellulare

Caratteristiche degli organismi viventi

• Utilizzo dell’energia proveniente dall’ambiente

• Scambio di materia con l’ambiente

• Costruzione delle proprie strutture

• Ereditarietà

Tutte le cellule sono costituite fondamentalmente da4 classi di macromolecole

Le macromolecole derivano dalla condensazione dellebiomolecole di base

I costituenti della cellula

H2O – CO2 - NH3 – CH4

Aminoacidi, Nucleotidi, Acidi grassi e Glicerolo, Monosaccaridi

Proteine, Acidi nucleici, Lipidi, Polisaccaridi

Aggregati Macromolecolari

Ribosomi – Sistemi multienzimatici – Membrane cellulari

Cellula Procariotica

Cellula Eucariotica

Ipotesi sull’origine della vita

• Come si legge su Proceedings of the National Academy of Sciences, i ricercatori

hanno osservato che inviare fasci di protoni ad altissima energia - a simulare il vento

solare - su un mix di meteorite polverizzato e formammide, una molecola semplice a

base di carbonio molto diffusa nell'universo, porta alla formazione spontanea di

centinaia di composti organici complessi: amminoacidi, i mattoni delle proteine;

lipidi, i costituenti della membrana cellulare; acidi carbossilici, su cui si basa il

metabolismo; zuccheri; basi azotate e persino nucleosidi, molecole più articolate alla

base sia del DNA che dell'RNA, che non erano mai state ottenute in altri studi volti a

riprodurre in laboratorio la nascita della vita. Un risultato che, senza l'azione della

polvere di meteorite quale catalizzatore delle reazioni chimiche di trasformazione

della formammide, non si sarebbe potuto ottenere.

“Il nostro esperimento mostra che le molecole alla base della cellula si possono

formare ovunque nell’universo. Allo stato attuale della ricerca, appare più probabile

che i composti chimici che hanno dato origine alla vita sulla Terra si siano formati sui

meteoriti stessi in presenza di formammide grazie all'energia del vento solare,

piuttosto che sul nostro pianeta o durante l'impatto, per il calore sprigionato; anche se

queste ultime due ipotesi non si possono comunque escludere”, spiega il chimico

organico Raffaele Saladino dell’Università della Tuscia di Viterbo, tra i coordinatori

dello studio.

• Dopo la formazione della Terra 4,5 miliardi di anni fa,

l’atmosfera era riducente ossia formata da composti

dell’idrogeno (metano, ammoniaca, vapore acqueo ) e poi

anidride carbonica e azoto che si erano formati in seguito alle

esalazioni vulcaniche ed alle piogge che formarono i primi

oceani. L’ossigeno era assente e, di conseguenza, anche

l’ozono, per cui i raggi ultravioletti del Sole passavano

indisturbati. Inoltre intensi campi di energia elettrica erano

all’origine di fulmini che, incessantemente, squarciavano

l’atmosfera.

• Tutto ciò fornì l’energia necessaria per innescare lereazioni chimiche che, da semplici composti inorganici(acqua, anidride carbonica e ammoniaca) portarono allaformazione di composti organici.

Le molecole semplici, così formate,

vennero poi trasportate dalle piogge

nell’oceano primitivo che diventò ricco

di sostanze organiche:

BRODO PRIMORDIALE definito così da

Haldane e Oparin negli anni venti.

OOparin teorizza la comparsa della vita in un’atmosfera primordiale riducente, dove non sarebbe esistito ossigeno libero come oggi, bensì una miscela di gas composta prevalentemente da

idrogeno. In particolare, sviluppando l’idea del contemporaneo John B. S. Haldane, egli postula che tale atmosfera fosse ricca di metano, ammoniaca e acqua, sostanze in grado di reagire tra loro sotto l’azione di raggi ultravioletti e fulmini. I composti del carbonio che si formavano -

come urea, formaldeide e amminoacidi - trasportati in mare, andavano poi a costituire il “brodo“brodoprimordiale”.primordiale”. Qui ci sarebbero state le condizioni per la sintesi di molecole complesse, simili

agli acidi nucleici.

L’ipotesi dell’atmosfera riducenteL’ipotesi dell’atmosfera riducente

Alexander Oparin (1894-1980)

J. B. S. Haldane (1892–1964)

L’ipotesi di Oparin, qualche decennio dopo, verrà in parte confermata sperimentalmente dal biochimico Stanley Miller

Attraverso un esperimento che consisteva nel mettere in un pallone di vetro, dell’acqua mantenuta in ebollizione, il vapore affluiva in un secondo pallone dove, con l’ammoniaca, il metano e l’idrogeno, formava una miscela simile all’ipotetica atmosfera primordiale sottoposta a continue scariche a simulare i fulmini frequenti nell’atmosfera primitiva. Successivamente il vapore passava in un condensatore nel quale, raffreddandosi, ritornava allo stato liquido raggiungendo di nuovo il primo pallone. Dopo una settimana di ininterrotto funzionamento si osservarono la presenza di aminoacidi nel liquido, che dimostrarono che anche nell’atmosfera primordiale poteva essere avvenuto qualcosa del genere.

Quando il BRODO PRIMORDIALE raggiunse un’elevata concentrazione, le molecole organiche

cominciarono ad aggregarsi formando iCOACERVATI

successivamente piccole goccioline contenenti macromolecole si trovarono delimitati da una

membrana che li separava dall’ambiente esterno,

MICROSFERE

Proteine Acidi nucleici

Mondo a RNAMondo a RNAArchivio genetico

Attività catalitica

REPLICAZIONE

RNA racchiuso in un involucro

Metabolismo e replicazione

Selezione naturale

EvoluzionePrime cellule

Mondo a DNAMondo a DNA

DNA RNA Proteine Archivio

duplicazioneMetabolismo

3,5 miliardi di anni fa

•Sintesi abiotica di piccole molecole organiche (monomeri)

•Assemblaggio dei monomeri in polimeri

•Nascita di molecole che si auto replicano (RNA)

•Formazione di microsfere proteinoidi a RNA

•Evoluzione delle prime cellule

ORIGINE della VITA

•L’atmosfera primordiale era priva di ossigeno

•Abbastanza precocemente sono comparsi autotrofi fotosintetici

•L’ossigeno si è accumulato negli oceani

•Circa 2 miliardi di anni fa l’ossigeno era presente nell’atmosfera

•Circa 1,5 miliardi di anni fa sono comparsi i primi eucarioti

•Circa 750 milioni di anni fa sono comparsi i primi pluricellulari

CELLULA PROCARIOTICA

Evoluzione molecolare

Membrane

Sintesi ed idrolisi dell’ATP

DNA RNA PROTEINE

Rappresentazione schematica delle circa 500 reazioni metaboliche di una tipica cellula

Degradazione del cibo e conservazione dell’energia con produzione di ATP

Costruzione delle proprie strutture e lavoro cellulare utilizzando l’energia immagazzinata nell’ATP

Organismi pluricellulari

E’ stimato che nel corpo umano sono presenti circa 1013 cellule che costituiscono i differenti

tessuti, organi e apparati

DIFFERENZIAMENTO CELLULARE

Il differenziamento cellulare dipende

dall’espressione selettiva dei geni

Tutte le cellule di un organismo hanno lo stesso genoma

(originano tutte dallo zigote).

Le differenze tra i diversi tipi cellulari dipendono dalle diverse proteine che li costituiscono

dall’espressione selettiva di specifici sets di geni.

Proteine essenziali Geni housekeeping

Proteine cellulo-specifiche Geni la cui espressione è regolata

• La struttura primaria delle proteine

• Destinazione delle proteine all’interno della cellula

• Presenza o assenza della proteina in un determinato tipo cellulare o in un determinato momento della vita cellulare

• La struttura primaria di RNA non tradotti

Il Genoma cellulare specifica inoltre: