Pubblicato in: n. 02 Flessibilità /

Le reti metaboliche e la flessibilità cellulare

di Marcello Buiatti

Tutti noi sappiamo intuitivamente che i sistemi viventi cambiano di continuo. Gli organismi nascono, si sviluppano, invecchiano e muoiono, e le loro storie di vita sono fortemente influenzate dalle dinamiche del contesto in cui si trovano. Sappiamo anche che cambiare è importante per sopravvivere. Sudiamo quando fa caldo per mantenere costante la temperatura corporea, le nostre pupille si restringono quando la luce è troppo forte, produciamo anticorpi che ci difendono dalle malattie e da aggressivi chimici, il nostro cervello si modifica di momento in momento ed elabora pensieri sempre nuovi… Eppure, quando non diamo retta al nostro intuito, ci lasciamo spesso trascinare dall’immagine della biologia che ci danno i mezzi di comunicazione di massa, basata sull’equiparazione dei sistemi viventi a macchine che si auto-costruiscono, ognuna con il suo bravo ed unico programma ‘scritto’ nel DNA, che determinerebbe la nostra vita dal concepimento in poi. E una macchina non è flessibile proprio perché non è in grado di modificare il proprio programma in seguito a stimoli esterni. In altre parole, i componenti di una macchina possono assumere solo una ‘configurazione’ o una sola serie di configurazioni, tutte predeterminate dal programma imposto dal costruttore. Ora, i sistemi viventi, invece, sono strutturati in reti di elementi interconnessi per cui parlare di ‘flessibilità’ significa discutere dei ‘gradi di libertà’ del sistema, ovvero del numero e delle possibilità delle diverse configurazioni che possono assumere i componenti di una rete individuale e cioè dotata di un solo patrimonio ereditario. In altre parole si tratta di discutere il livello di ‘disordine’, misurabile come ‘entropia’ di cui la rete può, o magari deve, essere dotata. Per capirsi, se la configurazione possibile è una sola il sistema sarà ad entropia zero mentre il parametro raggiungerà un massimo, proporzionale al numero dei componenti, qualora tutte le configurazioni possibili abbiano la stessa probabilità di formarsi. Appare ancora una volta intuitivo che noi esseri viventi non siamo né del tutto ordinati né completamente disordinati. E infatti le strategie che adottiamo per sopravvivere (strategie esplorative, secondo Gerhardt e Kirchner), da un lato si basano su una serie di meccanismi e strumenti che generano variabilità, dall’altro su processi che ci permettono di scegliere di volta in volta la parte di variabilità che risulta utile. I due percorsi sono determinati in parte o del tutto dalla ‘comunicazione’ fra componenti. Vediamo come, partendo dal DNA e passando poi al metabolismo e al rapporto fra cellule.

Il DNA è una lunga molecola che, di per sé, è quasi completamente inerte, nel senso che, da sola, non è capace né di replicarsi né di trasmettere l’informazione che contiene.
La replicazione e la trasmissione dell’informazione sono invece indotte o represse da altre molecole (proteine), capaci di ‘riconoscere’ siti diversi e specifici sulla lunga stringa di DNA. Il ‘riconoscimento’ è il modo che hanno le molecole di comunicare tra di loro e avviene generalmente fra molecole diverse ma con forme ‘complementari’, tali da permettere la formazione di complessi a ‘incastro’. È infatti il DNA che, per funzionare, deve essere riconosciuto in posizioni diverse della stringa da proteine specifiche; non sempre ha la forma elegante della doppia elica scoperta da James Watson e Francis Crick, in quanto ne può assumere molte altre, anche diverse, sulla stessa molecola che risulta quindi eterogenea, con forme diverse ‘locali’. È questo che permette che una stessa molecola di DNA sia ‘letta’ in modi diversi, dando origine a proteine diverse e/o in quantità variabili a seconda delle esigenze. La variabilità delle forme del DNA (il suo ‘paesaggio conformazionale’) è particolarmente importante in quelle zone che non portano informazioni per le proteine (più del 98% del DNA negli esseri umani) ma che permettono di ‘decidere’ quando, dove e quanto devono esprimersi i geni veri e propri. Per intenderci meglio su come questo avviene mettiamo di trovarci, ad esempio, in un ambiente molto caldo. Ognuna delle nostre cellule è come un sacchetto delimitato da una membrana che è attraversata da proteine, dette ‘recettori’, la cui porzione esterna percepirà, nel nostro caso, il calore eccessivo e di conseguenza cambierà forma diventando così capace di mandare, attraverso la sua parte interna, un segnale (una piccola molecola) dentro la cellula. Questa molecola si complesserà a sua volta con un’altra proteina che la passerà ad un’altra e ad un’altra ancora fino ad attivarne una (un ‘fattore di trascrizione’) fornita di una forma complementare a quella di un piccolo frammento di DNA presente ‘a monte’ solo di quei geni che devono essere attivati per sudare.

Formatosi il complesso proteina-DNA, l’enzima necessario per far partire il meccanismo di trasmissione dell’informazione si collocherà anche lui al posto giusto, a monte del gene, e lo attiverà. È in questo modo che, su segnale, noi usiamo in ogni singola cellula in media solo 1.000-2.000 geni dei 25.000 che abbiamo, modulandone anche i livelli di espressione attraverso la maggiore o minore stabilità ed efficienza dei complessi che si sono formati. Ma questo è solo uno dei processi che ci permettono di variare qualità e quantità della nostra composizione chimica. I geni infatti possono essere letti a cominciare e finendo in diversi siti della stringa e anche quando sono stati ‘trascritti’ in RNA questo viene ‘spezzettato’, alcuni pezzi vengono scartati (gli ‘introni’) e gli altri (gli ‘esoni’) possono essere ‘riattaccati’ in più di un modo dando luogo a diverse molecole di RNA e poi a proteine differenti. È così che i geni per le ‘neurexine’, fondamentali per il funzionamento del cervello, sono solo tre ma le proteine 2.300, e che, ad esempio, un solo gene di Drosophila (moscerino della frutta), può produrre addirittura 38.000 proteine diverse. Da tutto questo, quindi, deriva una grande possibilità di scelta su quale proteina utilizzare, in quale momento e come, scelta che avviene, anche in questo caso, su segnali che provengono dall’interno o dall’esterno dell’organismo.

La storia tuttavia non finisce qui, perché ogni proteina può assumere, a sua volta, diverse configurazioni dipendenti dal contesto e complessarsi con altre molecole diverse fra loro acquisendo più funzioni, aumentandone o diminuendone le attività. Alcune delle proteine prodotte hanno funzioni strutturali, molte invece si complessano con altre molecole e le modificano.

La rete metabolica è fatta da un numero enorme di piccole e grandi molecole praticamente tutte legate fra di loro proprio dal fatto che ognuna deriva da un’altra e sarà modificata da un’altra ancora. La rete deve funzionare in modo armonico anche se cambia composizione al cambiare del ‘set’ di geni attivati, perché la concentrazione di ogni sostanza deve mantenersi sui valori ottimali, oscillando intorno ad essi ma non in modo tanto forte da creare accumuli o carenze, ambedue negative per la vita.

Questa armonia viene proprio mantenuta grazie alla flessibilità dei meccanismi di cui parlavo e di altri ancora, che esercitano una ‘funzione tampone’ permettendo alle cellule e all’organismo di rispondere attivamente e tempestivamente alle variazioni esterne o interne al sistema. Si potrebbe cioè concludere che il ‘benevolo disordine’ interno è lo strumento che ci permette di evitare i danni provocati dall’imprevedibile ‘rumore’ (disordine ‘malevolo’) che ci viene da fuori o dal malfunzionamento di qualcosa dentro di noi a cui dobbiamo mettere riparo.

© Riproduzione riservata

Marcello Buiatti

Marcello Buiatti è docente di Genetica presso l’Università di Firenze. Ha pubblicato 'Lo stato vivente della materia' (Utet, Torino 2000), 'Il benevolo disordine della vita' (Utet, Torino 2004) e 'Metodi matematici per la teoria dell'evoluzione' (con A. Bazzani e P. Freguglia, Springer-Verlag, Milano 2011).

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