venerdì 4 novembre 2016

PROTEINS: The molecular machines

Post n. 29 English

Until the middle of last century, molecular biology was mainly focused on the study of proteins.
At that time, the structure and function of nucleic acids were not yet known, while the large number of functions carried out by proteins were known. There are, for example, proteins in bones and cartilage, they are the fundamental substance of the muscles and the skin. Proteins are hormones and substances that defend us from external agents and others have a transportation function. Inside the cell, nothing moves without the intervention of the proteins. A few examples of their role in the cell will help us understand how every living organism is under the constant control of proteins and how life on our planet without them would have no origin.
With the discovery of the structure of nucleic acids (DNA and RNA) and the genetic code in the fifties of the last century, the molecular biology studies are oriented mainly towards the study of nucleic acids. From these studies, it was found that the DNA is formed by discrete amounts, that is of well-defined portions called Genes and these genes through the genetic code define the protein. The original idea was that each gene was an expression for a protein. This idea through mystical Dawkins Genes Replicator, led to consider the genes as regulators of cell activity. When the sequencing of the DNA was completed, that is counting the genes, it was discovered that it contains about twenty thousand genes, but human cells contain about one hundred thousand different proteins. Therefore, the idea one gene one protein is not valid any more. This conclusion was already clear at the beginning of the new millennium and in fact Carol Ezzel in "Adesso comandano le proteine" Le Scienze 2002 wrote: «Simply applying the data produced by the Human Genome Project - which dethroned the outdated dogma, that one gene codes for a protein - does not solve the problem».  The author also shows us how more vigour the study of proteins and in particular of enzymatic proteins or Proteomics are in those years.
With the continuation of the research a new theoretical framework is proposed by Richard C. Francis in "L’ultimo mistero dell’ereditarietà" in 2011, in reference to the genes states: «The traditional idea is that they are a kind of managerial officials who run the our development. The alternative idea is that the directional function is located at a cellular level and the genes act more as resources available to the cell itself». And Steven Rose in "Geni, cellule e cervello" in 2013 adds: «It is not the DNA that determines the cellular activity, but it is the cell in which the DNA is incorporated that chooses what pieces of DNA to be used to construct certain proteins, when and how: epigenetics».
As we said previously, the cell is under the constant control of proteins and in particular of enzymatic proteins or enzymes. Inside the cell thousands of chemical reactions occur. In the chemical and physical conditions in which the cells of living organisms are, these reactions were very slow or may not occur, and the cells will not survive. Enzymes are catalysts that accelerate and control the speed of the chemical reactions allowing the cells to survive. To have an idea of ​​the action of these substances, Robert M. Stroud in "Una famiglia di proteasi" Le Scienze 1974, writes that without proteolytic enzymes it would take 50 years to digest a meal.
The main feature of enzymes is their specificity, that is, they catalyze only one chemical reaction. A medium-sized cell contains about three thousand different enzymes that control as many reactions. Each of these enzymes is present in multiple copies and for this reason, inside each cell there are about two million enzymes. This raises the problem of understanding how enzymes actually work.
The study of the function of the enzymatic proteins begins with Emil Fischer in 1894. It was already known at that time that enzymes consist of twenty different amino acids that make up all proteins. An average enzyme contains about 300 amino acids that fold to form a globular structure, fundamental to perform its function. The enzymes recognize molecules selectively, each enzyme recognizes only a compound or at most two, referred to as "substrate", and acts on them. The part of the enzyme which recognizes the substrate or the substrates takes the name of "active site." Based on these considerations Fischer formulated the hypothesis of the "key and lock". According to this theory, the active site would have such a form that the substrate fits like a key fits its lock.

For each key, its lock, for each compound, its enzyme.
Without going into too much detail, this model was replaced by the induced adaptation model. As it is known, the enzyme changes the chemical-physical environment of its surroundings. When the substrate enters in this new environment its links slow down, and the substrate takes on a different form called "transition state". The transition state may vary from molecule to molecule and the enzyme adapts to these small structural changes.

Enzymes produced through the evolution process in nearly 4 billion years are really extraordinary substances, true molecular machines. It’s enough to say that, one molecule of catalase alloy and turns around 100 000 molecules of oxygenated water per second and releases the same number of water molecules, and one carbonic anhydrase molecule transforms 600 000 substrates (CO2 and H2O) per second.
Besides the catalytic enzymes have what has been called "social aspect." Mike Williamson writes in "Come funzionano le proteine" 2013: «The social aspect of the enzyme associates it with other components, with a membrane or a protein, or the formation of large complexes through interaction with other enzymes». It was found that only a few proteins act alone, most of them operate in complex and some of them operate even in more complexes. The protein components of a complex may vary from 2 to 100. The protein complexes have an organization similar to highly efficient factories. For example in our cells, the glucose metabolism occurs through tens of chemical reactions. These reactions cannot occur at random, but must be regulated and planned to perfection because the product of a reaction is used for a subsequent reaction.

Enzymes regulate each of these reactions. They, one after the other, in a coordinated manner and with extraordinary efficiency, as in an assembly line, transform the substrate providing the product for the next enzyme. Every product of a reaction immediately finds another enzyme, to be further transformed and everything has to work perfectly up to the final products.
We have said that an average enzyme contains about 300 amino acid residues that fold into a globular structure.
But how did it get to such a large molecule? And how is the globular structure formed?
Around 1970 it was suggested that proteins were formed by domains, which are amino acid sequences that have not changed throughout evolutionary process. Rossman in 1974 identified a domain of about 70 amino acids present in many enzymes and proposed that this domain was of prebiotic origin. Today many believe that the domains, in the prebiotic era, were smaller and mainly consisted of ꭤ-helices of about 20 amino acids. The large protein molecules could have originated from the aggregation and evolution of small domains. The different arrangement of these domains, or the combination of a new domain to an existing enzyme, generates a new function. This leads to the conclusion, as Russell F. Doolittle wrote already in 1985 in "The Proteins" Scientific American: «[...], so the vast majority of proteins must be derived from a small number of archetypes».
The globular structure of an enzymatic protein is called tertiary structure. The primary structure is a long chain that indicates the position of each amino acid in the protein molecule. If the enzyme stayed the same it would have no function, and it would quickly degrade. Before the degradation happens, the secondary structure is formed where several amino acids are organized in helices and sheets. Finally, it forms the globular structure, that is, the tertiary structure. The globular structure of a protein (fold) is a consequence of the primary structure, but from the knowledge of the primary structure, we are not able to go back to its tertiary structure. In the second half of the last century, X-ray analysis have given a big contribution to the knowledge of the tertiary structure. It was thought that knowing the structure one could retrieve the function. In fact, in 1985 Russell F. Doolittle (cited work) wrote: «One of the major objectives of the protein has been in-depth knowledge of their structure in order to be able to understand their function». Today there are thousands of protein structures but going back to their function is a difficult task.
Nevertheless, as described by Peter M. Hoffmann in “Gli ingranaggi di Dio” 2014, modern equipment with sensors that operate at nano scales, sophisticated optical microscopes that can detect the light emitted by a single molecule and so-called Laser pliers, have enabled us to understand how the enzymes reach the globular structure and how they work.
The process that the primary structure leads to the tertiary structure is under thermodynamic control, that is, the molecules tend to place themselves in a position, which corresponds to a minimum of energy, a more stable state. In short, like a stone rolling down a hill until it reaches the valley. But if the stone along its descent meets a terrace it is likely to stop halfway. The enzymes are in a similar situation when the primary structure must reach the globular structure. In fact, a globular protein which comprises of about 150 amino acids could curl up in countless ways. According to Anfinsen 1045 would be the number of possible randomly generated conformations. Even though most of these conformations are impossible, in a single enzymatic protein there would still be a huge number of low energy conformations, where the difference in energy between the different conformations is small. As seen from the diagram (called diagram of the energy landscape) the folding process should lead the enzyme to have a minimum of energy.

elaborazione da: Treccani

A slight change of the surrounding environment could block the enzyme in an intermediate minimum, like the stone blocked halfway by a terrace.
What did evolution invent to avoid this risk? The guides: Chaperone and Chaperonin.
To understand how Chaperones work Mike Williamson (cited work) used the following metaphor: «In the nineteenth century, a single woman was often accompanied by a chaperone in public, an older or married woman who prevented her friend from engaging inappropriately contacts with the opposite sex. By analogy, a chaperone protein acts by preventing unstructured proteins to engage 

in unwanted interaction [...]». The chaperonin lead instead is the primary structure to the right conformation. They have the shape of a barrel with a cavity inside with which the protein assimilates the right conformation and then it is released into the environment.
However, despite everything it is possible that a protein may still not be structured properly, damaged, or no longer useful to the cell. What did evolution invent? Quality control and Recycling: ubiquitin and proteasome.
Ubiquitin is a small protein molecule, stable and very abundant in cells. The ubiquitin recognizes and binds to proteins to degrade; proteins are so labelled. From this moment the fate of the protein to be degraded is marked. The complex protein ubiquitin is recognized by another protein complex: the proteasome. The Proteasome is a real molecular machine: a digester. Also in the shape of a barrel, as soon as it comes into contact with the protein-ubiquitin complex, the proteasome dismantles it, puts ubiquitin into the circulation of the cell and swallows the protein to be degraded. The degradation leads to peptides of about seven residues that are released into the cell to be reused.


We do not know when, within humans, began to transport and exchange goods. The cell had already invented 3.5 billion years ago: microtubules, kinesin, dynein, myosin and actin.
Within the cell there was heavy traffic, as documented by us Robert Day Allen in "The microtubule as intracellular molecular motor" The Sciences in 1987, it was already known since the nineteenth century by Joseph Leidy. By the mid-sixties of the last century microtubules were discovered, channels with a diameter of about 25 nanometers wide and about 100 000 nanometers long (the dimensions understandable to us, is as if we have 1 cm diameter tubes and 4000 cm long , 40 meters). Microtubules consist of long intertwined protein chains: tubulin. It was immediately understood that microtubules inside the cell had structural functions. It was Allen and his collaborators, around 1985, to discover that in addition to the structural features microtubules were in fact the routes used by cells to transport materials with the help of two other proteins: actin and myosin. Later it was discovered that other proteins, dynein and kinesin were involved in the transport of materials within the cell.
The movements of kinesin and dynein in microtubules and myosin that moves on protein actin filaments, real molecular machines, seem human like as the image taken from Hoffmann’s mentioned essay depicts.

The upper part is a vesicle that contains the nutrients, the body rests on two feet moving on the microtubule. It mimics the way we walk and always keeps one foot on the ground that is the microtubule. To raise a foot energy is needed, ATP. A kind of firecracker exploding under foot, it detaches from the microtubule and swings advancing it. For a clearer idea of his movement, you can watch a great video on YouTube, for example:
These videos are not imaginary animation or computer generated. The videos were for sure processed but real.
As confirmed by Hoffmann in his essay, they were obtained with special tools which can film the movement of a single molecule.
Hoffmann, after seeing the video of the myosin moving along actin filaments as a little creature with two legs, wrote: «Is it possible that the molecule is alive? No, not in the true sense of the term. Watching it parading before us, we can see how all of these machines, interacting in a controlled manner, can create a living being. It is here, no doubt, where life begins».
Finally, in a very concise way we will describe three types of machines, the molecular copiers: Helicase, Polymerase, and RNApolymerase.
The DNA is a double stranded molecule which contains the information necessary for the synthesis of proteins. The two helices are held together by weak bonds (hydrogen bonds). Because these bonds are millions, the DNA molecule is very stable. Furthermore, to protect the entire molecule from possible degradation it is enveloped by numerous proteins. During cell division, the DNA must be copied, and a copy transferred to the new cell. To copy the DNA we must first separate the two helices. The copying of DNA involves a large number of proteins, but the main task is done by helicase enzyme. The helicase is a ring-like protein similar to a six-pointed star. It makes its way through the protein molecules that wrap around the DNA and once it reaches the DNA it opens up, wraps it in its interior and closes again.


This molecular machine opens, first of all, the double helix and therefore as a pair of scissors moving along the DNA separating the two helices. Two other proteins, polymerases and topoisomerases, are in charge of the double helices reconstruction from the constituent elements found in the cell. Like perfectly coordinated engines, the helicase cuts DNA, polymerase reconstructs the double helix and another polymerase (topoisomerase) follows and reconstructs another double helix in the opposite direction. At the end we will have two identical copies, one for each cell.

The RNA polymerase is the protein that transcribes a piece of DNA into a messenger RNA for protein synthesis. It attaches to the DNA and then moves along the double helix until it finds the correct sequence from which to start: the promoter. RNA polymerase is a powerful molecular machine which does everything by itself. As soon as it finds the promoter the polymerase detaches the two helices, moving along the filaments, transcribes a piece of DNA (gene) into messenger RNA, corrects errors and once the copy process is concluded it sews the DNA and walks away.


As we have explained, in the cells they operate as assembly lines, guides, quality control and recycling, transportation of materials and we might even add protein pumps and molecular motors. These molecular machines definitely have always existed. They were certainly much more rudimentary, but they had to be there from the beginning. The origin of life without these molecular machines is unlikely.
We too have invented the assembly lines, quality control and recycling, pumps, electric motors and the so on, but behind our inventions there was always an idea, a mind.
So, who is behind the cellular inventions? Which is: what is life?

                                                                                      Giovanni Occhipinti

Translated by: Sydney Isae Lukee

mercoledì 2 novembre 2016


Post n. 29

Fino alla metà del secolo scorso, la biologia molecolare era focalizzata principalmente sullo studio delle proteine. A quell'epoca struttura e funzione degli acidi nucleici non erano ancora note, mentre erano note il gran numero di funzioni svolte dalle proteine. Vi sono, per esempio, proteine nelle ossa e nelle cartilagini, esse sono la sostanza fondamentale dei muscoli e della pelle. Proteine sono gli ormoni e le sostanze che ci difendono dagli agenti esterni, altre hanno funzioni di trasporto. All’interno della cellula, nulla si muove senza l’intervento delle proteine. Alcuni esempi sul loro ruolo nella cellula ci aiuteranno a comprendere come ogni organismo vivente sia sotto il controllo costante delle proteine e come senza di loro la vita, sul nostro pianeta, non avrebbe avuto nessuna origine.
Con la scoperta, negli anni cinquanta del secolo scorso, della struttura degli acidi nucleici (DNA e RNA) e del codice genetico, gli studi della biologia molecolare si orientarono principalmente verso lo studio degli acidi nucleici. Da questi studi è risultato che il DNA è formato da quantità discrete, cioè di porzioni ben definite chiamate Geni e tali geni attraverso le regole del codice genetico esprimono le proteine. L’idea originale era che ogni gene esprimesse per una proteina. Quest’idea, attraverso la mistica dei geni replicatori di Dawkins, portò a considerare i geni come regolatori dell’attività cellulare. Quando fu completato il sequenziamento del DNA cioè la conta dei geni è risultato che esso contiene circa ventimila geni, ma le cellule umane contengono circa centomila proteine diverse. Quindi l’idea un gene una proteina non vale più. Questa conclusione, era già chiara all'inizio del nuovo millennio e infatti già a quell'epoca Carol Ezzel in “Adesso comandano le proteine”, Le Scienze 2002 scrive: «Applicare semplicemente i dati prodotti dal progetto Genoma umano - che ha finalmente mandato in soffitta l’obsoleto dogma secondo il quale un gene codifica per una proteina - non risolve il problema». L’autore ci illustra anche come già in quegli anni riprende con vigore lo studio delle proteine ed in particolare delle proteine enzimatiche o Proteomica.
Col proseguo della ricerca sorge un nuovo quadro teorico esplicitato da Richard C. Francis in “L’ultimo mistero dell’ereditarietà” 2011, che in riferimento ai geni afferma: «L’idea tradizionale è che siano una specie di funzionari direttivi che dirigono il nostro sviluppo. L’idea alternativa è che la funzione direzionale si trova a livello dell’intera cellula e i geni funzionano più che altro come risorse a disposizione della cellula stessa». E Steven Rose in “Geni, cellule e cervello”2013 aggiunge: «Non è il DNA a determinare l’attività cellulare, bensì è la cellula in cui il DNA è incorporato a sceglier quali pezzi di DNA usare per costruire determinate proteine quando e come: epigenetica».
Ma, come abbiamo detto, la cellula è sotto il controllo costante delle proteine e in particolare delle proteine enzimatiche o enzimi. All'interno della cellula avvengono migliaia di reazioni chimiche. Nelle condizioni chimico-fisiche in cui si trovano le cellule degli organismi viventi, queste reazioni sarebbero lentissime o non potrebbero avvenire e le cellule non potrebbero sopravvivere. Gli enzimi sono catalizzatori che accelerano e controllano la velocità delle reazioni chimiche permettendo alle cellule di sopravvivere. Per avere un’idea dell’azione di queste sostanze, basti pensare, come scrive Robert M. Stroud in “Una famiglia di proteasi” Le Scienze 1974, che senza gli enzimi proteolitici occorrerebbero 50 anni per digerire un pasto.
La caratteristica principale degli enzimi è la loro specificità, cioè catalizzano una sola reazione chimica. Una cellula di media grandezza contiene circa tremila enzimi diversi che controllano altrettante reazioni. Ognuno di questi enzimi è presente in più copie e per questo motivo all'interno di ogni cellula si trovano circa due milione di enzimi. Sorge quindi il problema di capire come realmente funzionano gli enzimi.
Lo studio del funzionamento della proteine enzimatiche inizia con Emil Fischer nel 1894. Era già noto a quell'epoca che gli enzimi sono costituiti dai venti amminoacidi diversi che compongono tutte le proteine. Un enzima medio contiene circa 300 amminoacidi che si ripiegano a formare una struttura globulare, fondamentale per esplicare la sua funzione. Gli enzimi riconoscono molecole in modo selettivo, ogni enzima riconosce solo un composto o al massimo due denominati “substrato” e su di essi agisce. La parte dell’enzima che riconosce il substrato o i substrati prende il nome di “sito attivo”. Partendo da queste considerazioni Fischer formulò l’ipotesi della “chiave e serratura”. Secondo questa teoria il sito attivo avrebbe una tale forma che il substrato si adatta come una chiave si adatta alla propria serratura.

Ad ogni chiave la sua serratura, ad ogni composto il suo enzima.
Senza entrare troppo nei particolari, questo modello è stato sostituito dal modello dell’adattamento indotto. Come noto, l‘enzima cambia l’ambiente chimico-fisico al suo intorno. Quando il substrato entra in questo nuovo ambiente e sotto l’azione dell’enzima i suoi legami si allentano e assume una forma diversa chiamata “stato di transizione”. Lo stato di transizione può variare da una molecola all'altra e l’enzima si adatta a queste piccole variazioni di struttura.

Gli enzimi prodotti dall'evoluzione in quasi 4 miliardi di anni sono veramente sostanze straordinarie, vere e proprie macchine molecolari. Basti pensare che, una sola molecola di catalasi lega e trasforma circa 100 000 molecole di acqua ossigenata al secondo e rilascia altrettante molecole di acqua, e una sola molecola anidrasi carbonica trasforma 600 000 substrati (CO2 e H2O) al secondo.
Oltre all'aspetto catalitico gli enzimi presentano ciò che è stato definito “aspetto sociale”. Come scrive Mike Williamson in ”Come funzionano le proteine” 2013: «L’aspetto sociale associa l’enzima ad altri componenti, con una membrana o una proteina, oppure porta alla formazione di grandi complessi attraverso l’interazione con altri enzimi» E stato accertato che solo poche proteine agiscono da sole, la maggior parte prende parte a complessi e alcuni operano anche in più complessi. I componenti proteici di un complesso possono variare da 2 a 100. I complessi proteici hanno un’organizzazione simile ad efficientissime fabbriche. Per esempio nelle nostre cellule la metabolizzazione del glucosio avviene attraverso decine di reazioni chimiche. Queste reazioni non possono avvenire a caso ma devono essere regolate e programmate alla perfezione perché il prodotto di una reazione serve per una reazione successiva.

Sono gli enzimi che regolano ognuna di queste reazioni. Essi l’uno dopo l’altro, in modo coordinato e con straordinaria efficienza, come in una catena di montaggio, trasformano il substrato fornendo il prodotto per il successivo enzima. Ogni prodotto di una reazione trova quindi subito un altro enzima per una successiva trasformazione e tutto deve funzionare alla perfezione fino ai prodotti finali.
Abbiamo detto che un enzima medio contiene circa 300 residui di amminoacidi che si ripiegano in una struttura globulare.
Ma come si è arrivati a molecole così grandi? E come si forma la struttura globulare?
Intorno al 1970 è stata avanzata l’ipotesi che le proteine fossero costituite da domini, cioè una sequenza di amminoacidi che si conserva nel corso dell’evoluzione. Nel 1974 Rossman ha individuato un dominio di circa 70 amminoacidi presente in molti enzimi e propose che tale dominio fosse addirittura di origine prebiotica. Oggi molti ritengono che i domini, in epoca prebiotica, fossero più piccoli e costituiti principalmente da ꭤ-eliche di circa 20 amminoacidi. Le grosse molecole proteiche avrebbero quindi avuto origine dall'aggregazione ed evoluzione di piccoli domini. La diversa disposizione di questi domini, o l’aggregazione di un nuovo dominio ad un enzima già esistente, genera una nuova funzione. Questo porta a concludere, come scrisse già Russel F. Doolittle nel 1985 in “Le Proteine” Le Scienze: «[…], così la grande maggioranza degli proteine deve essere derivata da un numero ristretto di archetipi».
La struttura globulare di una proteina enzimatica viene chiamata struttura terziaria. La struttura primaria è una lunga catena che indica la posizione di ciascun amminoacido nella molecola proteica. Se rimasse così l’enzima non avrebbe nessuna funzione e ben presto si degraderebbe. Prima che avvenga la degradazione, si forma la struttura secondaria dove parecchi amminoacidi si organizzano in eliche e foglietti. Infine si forma la struttura globulare, cioè la struttura terziaria. La struttura globulare di una proteina (fold) è conseguenza della struttura primaria, ma dalla conoscenza di quest’ultima non siamo in grado di risalire alla sua struttura terziaria. Nella seconda metà del secolo scorso, l’analisi ai raggi X ha dato un grosso contributo alla conoscenza della struttura terziaria. Si pensava che conoscendo la struttura si potesse risalire alla funzione. Infatti, nel 1985 Russell F. Doolittle (opera citata) scriveva: «Uno dei maggiori obiettivi delle proteine è stata la conoscenza approfondita della loro struttura in modo da riuscire a comprenderne la funzione». Oggi si conoscono migliaia di strutture proteiche ma da queste risalire alla funzione è impresa ardua. Cionondimeno, come descrive Peter M. Hoffmann in “Gli ingranaggi di Dio” 2014, moderne apparecchiature con sonde che operano alle nano scale, sofisticati microscopi ottici che riescono a rilevare la luce emessa da una singola molecola e le cosiddette pinze Laser, ci hanno permesso di comprendere in che modo gli enzimi raggiungono la struttura globulare e come funzionano.
Il processo che dalla struttura primaria porta alla struttura terziaria è sotto il controllo termodinamico, cioè le molecole tendono ad assumere una disposizione cui corrisponde un minimo di energia, lo stato più stabile. Insomma come un sasso che rotola giù da una collina fino a raggiungere il fondo valle. Ma se il sasso lungo la sua discesa incontra dei terrazzamenti rischia di fermarsi a metà strada. In una situazione simile si trovano gli enzimi quando dalla struttura primaria devono raggiungere la struttura globulare. Infatti una proteina globulare che comprende circa 150 amminoacidi potrebbe ripiegarsi in innumerevoli modi. Secondo Anfinsen sarebbe di 1045 il numero delle possibili conformazioni generate in modo casuale. Anche se la maggior parte di queste conformazioni sono impossibili, in una singola proteina enzimatica rimarrebbero comunque un numero enorme di conformazioni a bassa energia, dove la differenza di energia, tra le diverse conformazioni, è piccola. Come si vede dal diagramma (denominato diagramma del paesaggio energetico) il processo di ripiegamento (folding) dovrebbe condurre l’enzima ad avere il minimo di energia.
elaborazione da: Treccani

Un leggero cambiamento dell’ambiente circostante potrebbe bloccare l’enzima in un minimo intermedio, come il sasso bloccato a metà strada da un terrazzamento.
Cosa ha inventato l’evoluzione per evitare questo rischio? Le guide: Chaperoni e Chaperonine.
Per capire come funzionano i chaperoni Mike Williamson (opera citata) usa la seguente metafora: «Nel diciannovesimo secolo, una donna sola in pubblico era spesso accompagnata da un chaperone, una donna più vecchia o sposata che impediva all'amica di impegnarsi in contatti inappropriati con l’altro    sesso. Per analogia, una proteina chaperone agisce impedendo alle proteine non strutturate

di impegnarsi in interazione indesiderate […]». Le chaperonine conducono invece la struttura primaria alla giusta conformazione. Esse hanno la forma a barile con all'interno una cavità dove la proteina assume la giusta conformazione e viene quindi liberata nell'ambiente.
Può succedere comunque che, malgrado tutto ciò, una proteina risulta ancora non strutturata correttamente, danneggiata, o non più utile alla cellula. Cosa ti inventa l’evoluzione? Il controllo qualità e riciclo: ubiquitina e proteasoma
 L’ubiquitina è una molecola proteica piccola, stabile e molto abbondante nelle cellule. L’ubiquitina riconosce e si lega alle proteine da degradare; le proteine risultano così etichettate. Da questo momento la sorte della proteina da degradare è segnata. Il complesso proteina ubiquitina viene riconosciuto da un altro complesso proteico: il proteasoma. Quest’ultimo è una vera e propria macchina molecolare: un digestore. 

Anch'esso a forma di barile, appena viene a contatto con il complesso proteina-ubiquitina, stacca quest’ultima che ritorna in circolo nella cellula e ingoia la proteina da degradare. La degradazione porta a peptidi di circa sette residui che vengono rilasciati nella cellula per essere riutilizzati.
Non è noto quando sia iniziato, tra gli umani, il trasporto e lo scambio delle merci. La cellula lo aveva già inventato 3,5 miliardi di anni fa: microtubuli, chinesine, dineine, miosine e actina.
Che all'interno della cellula ci fosse un traffico intenso, come ci documenta Robert Day Allen in “Il microtubulo come motore molecolare intracellulare” Le Scienze 1987, era già noto fin dal XIX secolo ad opera di Joseph Leidy. Intorno alla metà degli anni sessanta del secolo scorso furono scoperti i microtubuli, lunghi canali del diametro di circa 25 nanometri e lunghi circa 100 000 nano metri (alle dimensioni accessibili ai nostri sensi è come se avessimo tubi del diametro di 1 cm e lunghi 4000 cm, 40 metri). I microtubuli sono costituiti da lunghe catene proteiche intrecciate: la tubulina. Si è subito compreso che i microtubuli avevano, all'interno della cellula, funzioni strutturali. Furono Allen e collaboratori, intorno al 1985, a scoprire che oltre alle funzioni strutturali i microtubuli erano, di fatto, le vie utilizzate dalle cellule per il trasporto di materiali con il contributo di due altre proteine: l’actina e la miosina. Più avanti si è scoperto che altre proteine, dineina e chinesina, partecipano al trasporto di materiali nella cellula.
I movimenti di chinesina e dineina sul microtubulo e la miosina che si muove su filamenti proteici di actina, vere e proprie macchine molecolari, sembrano proprio di tipo umanoide come raffigura l’immagine tratta dal saggio di Hoffmann già menzionato.

La parte superiore è una vescicola che contiene i nutrienti, il corpo poggia su due piedi che si spostano microtubulo. Imita il nostro modo di camminare e tiene sempre un piede a terra cioè sul microtubulo. Per alzare un piede ha bisogno di energia, ATP. Una specie di mortaretto che esplode sotto il piede, lo stacca dal microtubulo e lo fa oscillare facendolo avanzare. Ma un’idea più chiara del suo movimento si può avere guardando i fantastici video presenti su Youtube, per esempio:
Questi video non sono animazioni immaginarie o elaborazioni al computer. I video sono stati certo elaborati ma reali. Essi, come ci conferma Hoffmann nel suo saggio, sono stati ottenuti con speciali strumenti che riescono a filmare il movimento di una singola molecola.
Hoffmann, dopo aver visto il video della miosina muoversi lungo i filamenti di actina come una piccola creatura a due gambe, scrive: «Possibile che la molecola sia viva? No, non nel vero senso del termine. Guardandola sfilare davanti a noi, possiamo renderci conto di come tutte queste macchine, interagendo in maniera controllata, possano creare un essere vivente. È qui, non c’è dubbio, che comincia la vita».
Infine, in modo molto sintetico, vogliamo descrivere altre tre tipi di macchine, le copiatrici molecolari: Elicasi, Polimerasi e RNApolimerasi
Il DNA è una molecola a doppia elica che contiene l’informazione necessarie per la sintesi delle proteine. Le due eliche sono tenute insieme da deboli legami (legami idrogeno). Poiché questi legami sono milioni, la molecola del DNA risulta molto stabile. Inoltre l’intera molecola, per difenderla da eventuali processi di degradazione, è avvolta da numerose proteine. Durante la divisione cellulare il DNA deve essere copiato e una copia trasferita alla nuova cellula. Per copiare il DNA bisogna innanzitutto separare le due eliche. La copiatura del DNA coinvolge un gran numero di

proteine, ma il compito principale è svolto dall’elicasi. L’elicasi è una proteina ad anello simile a una stella a sei punte.  Essa si fa spazio tra le molecole proteiche che avvolgono il DNA e appena lo raggiunge si apre, lo avvolge al suo interno e si richiude.
Questa macchina molecolare apre, innanzitutto, la doppia elica e quindi come un paio di forbici si sposta lungo il DNA e separa le due eliche. Altre due proteine, polimerasi e topoisomerasi, sono
incaricate della ricostruzione delle doppie eliche a partire dagli elementi costitutivi che si trovano nella cellula. Come motori perfettamente coordinati, man mano che l’elicasi taglia il DNA la polimerasi la segue e ricostituisce la doppia elica mentre un’altra polimerasi (la topoisomerasi) ricostituisce un’altra doppia elica nella direzione opposta. Alla fine avremo due copie identiche una per ogni cellula.  
L’RNApolimerasi è la proteina che trascrive un pezzo di DNA in RNA messaggero per la sintesi delle
proteine. Essa si attacca al DNA e quindi si muove lungo la doppia elica fino a quando trova la sequenza giusta da cui iniziare: il  promotore. La RNA polimerasi è un macchina molecolare formidabile, fa tutto da sola. Appena trova il promotore questa polimerasi stacca le due eliche, muovendosi lungo i filamenti trascrive un pezzo di DNA (gene) in RNA messaggero, corregge eventuali errori e concluso il processo di copia ricuce il DNA e si allontana.   
Come abbiamo illustrato, nelle cellule operano catene di montaggio, guide, controllo qualità e riciclo, trasporto materiali e potremmo ancora aggiungere pompe proteiche ed elettromotori. Queste macchine molecolari sicuramente sono esistite da sempre. Esse erano certamente molto più rudimentali, ma dovevano essere lì fin dalle origini. Non è immaginabile l’origine della vita senza queste macchine molecolari.
Anche noi abbiamo inventato catene di montaggio, controllo qualità e riciclo, pompe, elettromotori e quanto segue, ma dietro le nostre invenzioni c’è sempre un pensiero, una mente.
E allora chi c’è dietro le invenzioni cellulari? Ovvero: ma la vita che cosa è?

                                                                                               Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Ma la vita che cos'è? (fine Gennaio)

giovedì 14 luglio 2016


Post n.28 English

The amino acids, that make up proteins exist in two forms, Destro and Levo, a mirror image of the other, as we have amply exposed in the articles regarding the molecular asymmetry problem. These two molecular forms have the same chemical-physical properties and therefore always appear together. Since both the D-form that the L-form, in the prebiotic era, were surely dissolved in water, the molecular disorder would produce cross reactions between L and D amino acids and give rise to proteins containing the two forms, but of no biological interest. Now the issue is that all the proteins in all living organisms are made up only of the L-shaped amino acids. Life is so asymmetrical, how did this choice occur? For more than a century and a half the researches were often oriented towards existence, in the mineral world, of an asymmetric material that conditioned the choice. Starting from the Bernal theory on the role of clays and quartz, polarimetric observations (post n. 22) have put in evidence  how the colloidal silica rotates the plane of polarized light to the left. The colloidal silica may be that asymmetrical mineral much sought throughout time, which favored the L-amino acids. We have assumed that the deviation of the polarized light of the colloidal silica is due to the formation of helical structures of Levo quartz type. If the colloidal silica in aqueous solution gives rise to helical structures, they are as likely to form structures that both Destro & Levo structures.
Why did the Levo prevail?
In the article "The Origin of proteins: the molecular asymmetry problem (fifth part)" had suggested that the Earth's magnetic field had played a vital role in the asymmetry of the colloidal silica. In fact, the article concluded: «Ultimately the tetrahedral structural units of the silica, when binding to form colloidal particles they could have any orientation and even the slightest external contribution may have given a preferred direction. This contribution could be given to the combined effect of the Earth's magnetic field and the three factors listed below: the asymmetry of water, the formation of clusters and the tetrahedral structural unit.
It is possible that this combined effects impose a preferred direction and the cause of the asymmetry of the colloidal silica».
So then, eliminating the Earth's magnetic field, the  asymmetry of the colloidal silica should disappear.
My relationship with Magistri Cumacini, the High School where I taught for almost thirty years, is still ongoing. A group of teachers, now retired, work at the reordering and cataloguing operations of the school library.
The question on the magnetic field, in reality, was not posed by me, but a dear colleague,  Physics Professor Clemente Cattaneo. In fact, as Clemente explained to me, Earth's magnetic field can not be eliminated completely but anyway we decided to try.
The kindness and the interest of the Engineer, Enrico Tedoldi, Headmaster, who granted us permission, was ever present.
After measuring the magnetic field in the laboratory, corresponding to 0.16 Gauss, Clemente prepared the necessary equipment. This is consisted in a 20 cm of 150 solenoid coils, traversed by a continuous current of 17mA which generates a magnetic field of approximately 0.16 Gauss. By placing an inversed field compared to Earth’s, we definitely reduced if not canceled out the field in the area. Unfortunately we could not assess the variation of the field produced by the metal parts of the polarimeter, but we are certain that the influence is negligible compared to the field created by the solenoid. We found that a sensitive compass did not undergo significant deviations within the polarimeter which is made up of pervalently aluminum, stainless steel and plastic.
With a direct polarity the field was, however, increased.
For the experiment were used Na2SiO3 (soluble glass) in H2O and CH3CH2OH (ethyl alcohol), magnetic stirrer, polarimeter "Polax 2L".

In Polarimeter the metal staff of the test tube was replaced by an identical wooden support.

Procedures and data:
1) Standard procedure:
0.3g Na2SiO3 in beaker, added 38cc of H2O on a magnetic stirrer at 300 rpm for 1 minute.
Added 12cc of CH3CH2OH and continue the agitation for half a minute.
Take off beaker from the agitator and let sit 2 minutes.
After sitting, the solution is poured into the polarimeter tube, it is closed and sits on the support inside the polarimeter; time required 1 minute.
Let the solution sit from 1 to 2 minutes in the polarimeter and then the measurement is taken.
2) Procedure to decrease the magnetic field of the circuit:
Perform the standard procedure but the circuit is placed outside of the polarimeter tube before filling it.

Procedure 1)
Deviation of the plane of polarized light: -0.20
Procedure 2)
Deviation of the plane of polarized light: First test: -0.15; Second test: -0.20
We do not know how much the circuit lowers the Earth's magnetic field. One can conclude however, that no decrease in the deviation of the polarized light which goes beyond the limit of sensitivity of the polarimeter is observed.
If the magnetic field contributes to the asymmetry of the colloidal silica, by increasing the magnetic field, the deviation of the polarized light must increase.
This question was asked once more by Clemente.
Here we played on reliable data: placed the solution under four times the Earth's magnetic field. As it often happens in researches the unexpected occurs: The deviation of the polarized light wasn’t increased, but had disappeared. The colloidal silica lost its asymmetry.
1) Standard procedure: as above
2) Standard procedure , 4 times the Earth's magnetic field, entering the external circuit of the polarimeter tube before filling.
Deviation of the polarized light (the tests were carried out alternately).
Procedure 1) First test: -0.25, Second Test: -0.20, Test Three: -0.20
Procedure 2), First Test: 0, Second Test: 0, Round Three: 0
In order to draw definitive conclusions of the magnetic field at different values, a number of tests should be done and a graph plotted. I, however don’t have more than one laboratory, and it is not correct to abuse of the kindness of others. The tests described above are therefore a clue, a strong indication of the role played by Earth's magnetic field.
It is possible that without the presence of a magnetic field there may be no asymmetry of the colloidal silica. The appearance of a magnetic field imposes, through the tetrahedrons of water, a slight rotation on the siliceous structures, and therefore the appearance of the asymmetry of the colloidal silica. It is likely then that beyond a certain value, Earth's magnetic strong magnetic field does not induce a rotation, but imposes a strong alignment of the small magnetic fields of water molecules destroying the asymmetry of the colloidal silica.

To make precise polarimeter measurements the following instructions are necessary.
In use, the polarimeter heats up after some time from 20 ° C to 26 °- 27 ° C.
By varying the temperature of the polarimeter also the zero of the polarimeter varies. By working at room temperature, turning on and off the polarimeter doesn’t keep it at a constant temperature and therefore we must constantly chase the zero. It is best to turn the polarimeter on, wait on average 2 hours until the temperature stabilizes and then reset for the zero. Check the temperature at each reading, the oscillations must not be greater than ± 0.2 ° C.
The screw cap and the slide of the polarimeter tube must always be in the same position and to avoid errors due to the thickness of the glass or the inner rubber seal. Make marks on the slide and on the capsule and place it always at the same position.
If during closing the glass does not stay attached to the rubber gasket, put a droplet of water on the seal and place the glass on top.
When the polarimeter is reset in a void, if you insert the polarimeter tube with water different values ​​can be observed if it is rotated. Glue a sticker with four signs on the polarimetric tube. Observe the polarimeter, rotate it  in the four positions and choose the position with results closest to zero. Reset it  and start to measure the sample using that as a reference point.
                                                                                          Clemente Cattaneo
                                                                                          Giovanni Occhipinti

Translated by: Sydney Isae Lukee