Informazione genetica – glossariumBITri

1. Le forme di vita e la loro informazione genetica

In generale, le cellule possono essere determinate come l’unità minima della vita, attraverso la loro capacità di generare, duplicare ed elaborare informazioni. Una cellula contiene diverse parti, che possiedono una determinata funzione e processo per fare della cellula una macchina che può reagire al suo ambiente e alle influenze esterne. La capacità di ricevere, elaborare e creare informazioni attraverso la duplicazione, come nella Traduzione/Trascrizione, rende la cellula un sistema completamente indipendente e quindi una forma di vita indipendente.

Le cellule possono essere separate in due tipi diversi. Il primo è il concetto più semplice e basilare di struttura cellulare. È usata dai batteri e dagli archaea, che erano le uniche forme di vita sulla terra fino a quando non sono arrivate cellule più evolute attraverso il processo di evoluzione. Queste cellule sono chiamate cellule procariotiche, mentre le altre sono le cellule eucariotiche, che ereditano una struttura cellulare più complessa. La differenza principale tra questi due tipi di cellule è la struttura e la forma di memorizzazione delle informazioni. L’informazione delle cellule procariotiche, in termini biologici chiamata DNA, è immagazzinata sotto forma di una struttura ripiegata che galleggia nella cellula in dense stringhe superavvolte. Al contrario, la cellula eucariotica ha un nucleo, chiamato nucleo, dove il DNA è immagazzinato per un ulteriore uso. Il DNA è avvolto intorno a proteine, chiamate istoni. La struttura del nucleo è punteggiata, così alcuni frammenti possono lasciare il contenimento del nucleo attraverso dei fori nella membrana del nucleo.

2. DNA – struttura e funzionalità

Il DNA è un termine breve per acido desossiribonucleico. Il DNA descrive la struttura dell’informazione genetica, che è basata su un polinucleotide. Un polinucleotide descrive una lunga stringa di nucleotidi che è la stessa in tutte le cellule viventi, sia negli ineucarioti che nei procarioti. Ogni nucleotide è basato su una delle quattro nucleobasi: Adenina, Citosina, Timina e Guanina. Due basi sono complementari tra loro, Adenina a Timina e Guanina a Citosina, e una certa struttura può essere formata dalle sequenze delle nucleobasi complementari. Il nucleotide stesso consiste di una fosfolecola, una molecola di zucchero e una nucleobase. Le diverse nucleobasi sono legate da un forte legame idrogeno che conferisce al DNA una certa flessibilità pur mantenendo la sequenza determinata delle nucleobasi. Nel nucleo della cellula il DNA è disponibile sotto forma di una doppia elica per occupare meno spazio quando si avvolge in una palla stretta al centro del nucleo (Lara, 2009). Secondo Lara, ogni nucleotide può stabilire una “associazione testa-coda con qualsiasi altro nucleotide” alla sua estremità 5′ e 3′. Ciò significa che ogni nucleotide ha una struttura definita con due estremità diverse per interagire e collegarsi con altri nucleotidi. Questo fenomeno definisce la sequenza del DNA che è essenziale per la crescita e lo sviluppo delle forme di vita.

La sequenza del DNA fu codificata per la prima volta dagli scienziati James Dewey Watson e Francis Crick. Con la loro scoperta della sequenza del DNA, chiamata anche “universalità del codice genetico”, l’attenzione si è spostata dalla chimica dietro il DNA alla codifica del DNA attraverso le nucleobasi e la struttura molecolare delle informazioni in una cellula (Lyre, 2002).

La sequenza del DNA è usata per memorizzare informazioni sulla costruzione di proteine e altre funzioni operative della cellula. Attraverso la Trascrizione e la Traduzione queste informazioni possono essere riprodotte e lette per costruire nuove proteine all’interno della cellula.

3. Processo di replica delle informazioni in biologia

Le cellule hanno la capacità di riprodurre proteine, attraverso la Traduzione, per sostenere la sopravvivenza della cellula nel lungo periodo. Le proteine si basano sugli amminoacidi e ogni proteina si distingue per il suo uso e la sua funzione. La cellula stessa è separata in due dipartimenti diversi. Il citoplasma circonda tutte le parti dell’interno della cellula e queste parti possono galleggiare liberamente attraverso il contenimento delle pareti cellulari. Al contrario, il nucleo ha una forma arrotondata e contiene il DNA della cellula e l’attrezzatura che gestisce queste informazioni memorizzate. Anche l’attivazione e il blocco di certe sequenze nucleotidiche può essere realizzato con questo tipo di attrezzatura (Lara, 2009: 3). Entrambe le parti, il nucleo e il citoplasma, sono separate dall’involucro nucleare, che divide fisicamente le diverse fasi del flusso di informazioni all’interno della cellula. Secondo Lyre (2003: 91), l’elaborazione delle informazioni consiste in due fasi diverse, la trascrizione e la traduzione. Inoltre, il DNA può essere replicato per soddisfare la necessità della divisione cellulare attraverso la crescita.

1. Trascrizione:

Il processo di trascrizione descrive l’atto di copiare una sequenza di DNA in una forma più mobile di informazione. Questa forma è chiamata mRNA, che sta per ribonucleico messaggero. Rappresenta la metà della parte richiesta della struttura dell’elica nucleotidica originale.

Quando l’RNA messaggero è completamente sviluppato, viaggia attraverso i fori nella parete del nucleo ed entra nella fase successiva dell’elaborazione delle informazioni, il citoplasma.

2. Traduzione Traduzione:

Nel citoplasma avviene la fase successiva dell’elaborazione dell’informazione cellulare, chiamata processo di traduzione. L’mRNA ora fluttua liberamente nel citoplasma e una proteina chiamata ribosoma si attacca all’mRNA e comincia ad aggiungere un tRNA al primo codone dell’mRNA. Ci sono diversi tRNA che corrispondono alle diverse sequenze di basi nucleari attaccate alla struttura dell’mRNA. Nella lettura della sequenza di nucleobasi si costruisce un amminoacido e si sviluppa una proteina (bioadmin, 2013). Questa proteina viaggia attraverso il citoplasma ed è costruita nella rete cellulare che separa l’interno della cellula dal mondo esterno. Una volta inserita nella maglia, la proteina può iniziare a svolgere diverse funzioni.

3. Replicazione:

L’atto di replicare il DNA è necessario quando la cellula raggiunge una certa dimensione. Il DNA viene replicato per dare alla nuova cellula una serie di informazioni per produrre proteine e funzionare in modo corretto. Per prima cosa, la doppia elica del DNA viene separata, e le nucleobasi complementari divise vengono accoppiate di nuovo con le loro controparti per sostenere lo stesso insieme di sequenze e quindi l’informazione genetica data attraverso il DNA della cellula originale.

4. Capacità di memorizzazione del DNA

Un amminoacido si basa su un codone, che contiene tre nucleobasi. Se prendiamo in considerazione che ci sono quattro diverse possibilità di riempire questi tre spazi di un codone, allora possiamo determinare la complessità di un codone. Le configurazioni per un codone tripletta sono che fanno 64 codoni diversi. Se prendiamo una stringa di DNA composta da 100 codoni, allora abbiamo alternative di sequenze. La media dei nucleotidi contenuti nel DNA di una forma di vita semplice, per esempio Escherichia coli, è N=. Ciò significa che se calcoliamo che per l’alternanza delle sequenze, significa (Lyre, 2002, p. 94). Queste capacità di memorizzazione sono al di là della nostra stessa immaginazione. Anche per la più semplice delle forme di vita qui sulla terra le informazioni sui processi e le sostanze immagazzinate sono troppo complesse da comprendere.

5. Semantica della produzione di proteine e funzionalità del DNA

La definizione di semantica è “lo studio dei significati nel linguaggio” (Cambridge, 2014) che può essere applicata alle cellule come il linguaggio della codifica del DNA e del flusso di informazioni nell’interazione cellulare. Come detto prima, l’informazione genetica è memorizzata nel DNA di una cellula attraverso la codifica di nucleotidi e codoni. L’importanza dell’informazione per la cellula è la decodifica di questa determinata sequenza di nucleotidi per generare aminoacidi e produrre proteine vitali per la sopravvivenza della cellula stessa. Queste proteine hanno una chiara funzione determinata nella maglia cellulare per scambiare nutrienti o sostenere la struttura cellulare. La semantica di una cellula stessa si basa sulla funzionalità della decodifica della sequenza nucleotidica. Un codice è utile solo quando la funzionalità impostata della proteina è data dopo la sintesi e la proteina funziona nel modo per cui è stata progettata. Lara afferma nel suo articolo che ci sono regolatori esterni che “meditano l’attivazione o la non attivazione di porzioni specifiche, che possono anche essere regolate da agenti esterni alla proteina” (Lara, p. 3). Il problema all’interno di questa tesi è la complessità delle relazioni tra l’informazione immagazzinata nel DNA e il suo effetto sulle proteine. Le proteine già esistenti permettono al DNA di tradurre le informazioni necessarie e di costruire le proteine più tardi nel processo. Il flusso di informazioni deve quindi essere descritto come un doppio senso e quindi non il DNA o le proteine possono essere visti come il trasmettitore del segnale iniziale di traduzione di pezzi di DNA (Lyre, 2002). Segnali per la trascrizione del DNA e flusso di informazioni

Un fattore che influenza l’elaborazione e la memorizzazione dell’informazione biologica è la sequenza del nucleoide. Ma oltre a questo, altre proprietà strutturali del DNA possono essere valutate come codifica di memorizzazione. La configurazione elettronica in parti delle molecole di DNA o la topologia, topologia è lo “studio di quelle proprietà delle forme geometriche che rimangono invarianti sotto certe trasformazioni, come la piegatura o l’allungamento” (dictionary.com, 2017), proprietà del DNA nella sua struttura tridimensionale (Lyre, 2002, p. 99). Queste proprietà funzionali della struttura del DNA possono influenzare la capacità di immagazzinamento e il modo di codificare le informazioni nel DNA delle diverse forme di vita. Un fenomeno chiamato “junk-DNA” (DNA spazzatura) può anche essere un’alterazione di queste proprietà attraverso la sua ripetitività nel DNA generale.All’interno della cellula stessa ci sono anche fattori. Molecole regolatrici, enzimi e proteine strutturali che influenzano l’informazione biologica cellulare in un certo modo. Alcuni geni sono espressi in un certo modo per determinare la struttura delle proteine coltivate. Nel processo di trascrizione, le proteine strutturali menzionate in precedenza possono attivare o disattivare certi tipi di espressioni geniche per alterare la composizione generale della proteina. La struttura della proteina viene modificata utilizzando la stessa parte di DNA attraverso la trascrizione, ma alterando l’espressione dei geni.

Come i fattori intracellulari, anche quelli extracellulari determinano l’elaborazione delle informazioni. Questi possono essere distinti in due parti separate. Da una parte ci sono molecole che possono viaggiare attraverso la membrana cellulare, in base alla loro piccola struttura, e aderire a speciali recettori nucleari e cambiare il processo di traduzione del DNA e la sintesi di RNA per il processo di traduzione successivo. Sul lato opposto c’è il fattore di influenza della carica aggiunta da molecole esterne, che può cambiare la struttura tridimensionale della molecola proteica e quindi la sua funzionalità per la cellula (Lyre, 2002, p. 100). Una cellula isolata può essere definita come un flusso di informazioni autoregolato e quindi una macchina di elaborazione indipendente per le informazioni inviate dalla cellula stessa (Lara, p. 9).

7. Fattori che influenzano la codifica delle informazioni

Rispetto alla spiegazione di Lyres, l’azione di elaborare le informazioni è stata sviluppata attraverso il concetto di evoluzione attraverso diversi miliardi di anni. Altrimenti, secondo Lyre, non avrebbe senso che le cellule sviluppino una struttura cellulare se non cambiando le informazioni nel DNA e codificando le informazioni sotto forma del loro DNA cellulare per la sintesi proteica (Lyre, 2002, p. 103). Il concetto di evoluzione può essere descritto come la forza principale dietro il sistema del DNA su cui sono basati tutti gli esseri viventi complessi. L’ambiente e i fattori che entrano in questo complesso sistema di forme di vita coesistenti e di interazioni è la forza trainante dell’evoluzione dell’informazione biologica contenuta in una cellula vivente. Determina “che una nuova cellula ricostruisca diacronicamente le strutture che sostengono il fenotipo del singolo essere vivente” (Díaz, 2017, p. 6). Come descritto dal signor Diaz, l’evoluzione dell’informazione genetica è determinata dall’ambiente in cui un essere vivente interagisce e quindi cambia l’informazione biologica in un lungo periodo di tempo per regolare il fenotipo dell’essere individuale. Lo descrive come il “substrato su cui avvengono epigeneticamente nuove determinazioni nel processo di morfogenesi” (Díaz, 2017, p. 6). Anche la capacità neurale delle forme di vita può essere diversa per elaborare determinate informazioni. Per esempio, un essere umano può elaborare informazioni o processi sempre più difficili come un’altra forma di vita che potrebbe avere più capacità neuronale grazie alle sue informazioni biologiche, ma la struttura del cervello e le connessioni neuronali non possono consentire la piena capacità di pensiero complesso.

Lo sviluppo della vita è determinato dalle istruzioni che si trovano nei genomi e da fattori esterni basati sull’ambiente. A causa di questa affermazione non è sorprendente che la vita sulla terra, così come è oggi, sia modellata dalla continua alterazione dell’informazione biologica originata nei batteri e sviluppata nei fenotipi di tutti i diversi tipi di esseri viventi durante il periodo di miliardi di anni.

Ricevitori assegnati dei fattori di influenza esterni, il sistema nervoso e il muscolo/organo. I muscoli/organi possono essere determinati come unità operative che interagiscono con l’ambiente e cambiano per adattarsi alle sfide ambientali affrontate a causa dei diversi climi e habitat. Il sistema nervoso, d’altra parte, assicura la corretta funzione e coordinazione delle unità operative e può essere determinato come una sorta di metasistema che elabora le informazioni e dà risposte ai segnali esterni attraverso le unità operative (Díaz, 2017, pp. 6-9).

8. La registrazione dell’evoluzione del DNA a Darwin e la scienza evolutiva

Charles Darwin è il concetto originale di evoluzione che applica il concetto di “sopravvivenza del più adatto”. Dice che solo gli individui più forti e adattati di una specie possono sopravvivere all’ambiente in cui vivono e portare avanti il loro pool genetico, o informazione biologica, nella generazione successiva, mentre gli altri individui muoiono a causa della loro mancanza di adattamento all’ambiente. Gli scienziati di biologia di oggi determinano l’evoluzione come un “totale di individui che sono in grado di generareprogeni che possono riprodursi” (Lyre, 2002, p. 108). Ma in una specie, non ci sono “due individui” con la stessa informazione genetica a causa della mutazione casuale nel pool genico e della ricombinazione nel processo di riproduzione. Con questo tipo di variazione dell’informazione genetica negli individui di una specie si varia in un sistema caotico e non determinato da nessun piano o schema fisso. Proprio la coincidenza di randommutazioni nella sequenza delle nucleobasi, e quindi dei codoni, può essere descritta come il fattore trainante dell’alterazione dell’informazione biologica. Gli individui più adatti e più adatti, a causa della mutazione su più generazioni, possono sopravvivere meglio di quelli senza questo specialtrait. (Lira, 2002, pp. 109-115)

9. Evoluzione dell’informazione biologica

L’origine di una struttura cellulare può essere descritta come una coincidenza. Stringhe di aminoacidi e nucleotidi galleggiavano nel brodo primordiale, miliardi di anni fa. Poi, per una sorta di coincidenza, queste stringhe hanno cominciato a organizzarsi e a costruire reti che potevano elaborare le informazioni date, per esempio dall’ambiente o da altre cellule, e reagire di conseguenza. Queste reti sono a forma di cerchio per assicurare l’intera elaborazione delle informazioni date da fonti esterne. Ciò significa che tutte le forme di vita biologica si sono evolute da un insieme specifico di informazioni biologiche e quindi discendono da un archetipo che si è sviluppato per coincidenza. Questo può essere visto anche nelle fasi di sviluppo degli embrioni di varie specie dopo la fecondazione. Gli embrioni sono simili nelle fasi iniziali ma sviluppano le loro proprietà speciali della loro specie con il tempo fino a quando sono totalmente distinti per la loro forma e abilità.