Biologia applicata 1 e 2, Appunti di Biologia Applicata

Scarica Biologia applicata 1 e 2 e più Appunti in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! Biologia applicata La biologia è la scienza che studia tutto ciò che riguarda la vita Gli organismi Ogni organismo è fatto da unità base dette cellule. Gli organismi possono essere pluricellulari (es: mammiferi) o unicellulari (es: batteri). L’organismo unicellulare presenta una solo cellula indipendente, che da sola è sufficiente all’organismo stesso, mentre l’organismo pluricellulare presenta più cellule tra loro vincolate che non possono esistere l’una senza l’altra. Gli organismi possono essere distinti in eterotrofi (es: piante) e autotrofi (es: animali). Gli eterotrofi ricavano energia nutrendosi attraverso processi che compiono senza far riferimento all’ambiente circostante mentre gli autotrofi ricavano energia nutrendosi dall’ambiente esterno. Ogni organismo è soggetto a cambiamenti e ogni cellula è capace di adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente esterno grazie a reazioni chimiche che modificano il suo ambiente interno, ciò è chiamato metabolismo, regolato dall’omeostasi cellulare. Ogni organismo è soggetto a evoluzione che comporta modifiche funzionali all’organismo affinchè quell’organismo possa adattarsi all’ambiente che lo circonda. Queste caratteristiche possono diventare ereditabili. In natura le specie che si adattano meglio all’ambiente circostante sono quelle che hanno più possibilità di sopravvivere e riprodursi favorendo nella selezione naturale gli organismi più adatti. Ciò è spiegato dalla teoria dell’evoluzione di Charles Darwin, principio unificante della biologia. Cellule Ogni cellula è composta da alcune strutture definiti organelli, strutture intracellulari delimitati da una membrana (es: nucleo, mitocondri, citoplasti). Inoltre sono costituiti da più molecole (es: enzimi, ribosomi), macromolecole (es: acidi nucleici, proteine, polisaccaridi, lipidi) molecole fondamentali, molecole intermedie, molecole precorritrici (es: acqua, azoto, anidride carbonica) Esistono due categorie di cellule: le procariotiche, che non hanno il nucleo (es: le cellule dei batteri) e le eucariotiche, che hanno il nucleo (es: le cellule di piante e animali). Le procariotiche hanno una membrana plasmatica in cui è contenuto il citoplasma in cui tutto è disperso. Nel citoplasma è contenuto il materiale genetico, i ribosomi e enzimi, la membrana plasmatica è avvolta in una parete cellulare che può presentare spesso pili e flagelli. Si riproducono per scissione binaria, possono in alcuni casi trasformarsi in spore e hanno un elevato tasso percentale di presentare mutazioni (cambiamento del DNA) riproducendosi molto velocemente. Ciò permette alle cellule procariotiche di essere in grado di adattarsi velocemente a molti ambienti differentemente dalle cellule eucariotiche. Le eucariotiche hanno invece una struttura più complessa, è costituita da una membrana cellulare che contiene il citoplasma in cui è depositato il nucleo dove è contenuto il DNA. Attorno al nucleo hanno il reticolo endoplasmatico, inoltre la cellula presenta mitocondri e altri organelli. Ha sostegno della cellula vi è il citoscheletro, struttura che è all’interno del citoplasma dando sostegno alla cellula. Ogni organello a differenza delle cellule procariotiche ha il suo spazio e sono tutti costituiti da membrana, ciò serve a migliorare l’efficienza delle funzioni della cellula. Basi molecolari La chimica interpreta la realtà collegando il mondo macroscopico a quello microscopico. Noi siamo infatti costituiti da molecole fatte di atomi di vari elementi, principalmente l’essere umano è composto da acqua, dunque da molecole formate da un atomo di idrogeno e due di ossigeno. Uno degli elementi che più ci rappresenta è il carbonio, uno degli elementi più presenti in natura. A base di carbonio è il diamante, il metano ma anche le proteine del nostro corpo(ciò è dovuto ai vari elementi con cui interagisce). La chimica della vita= atomi (es: idrogeno, ossigeno) -molecole (es: acqua) -biomolecole (es: proteine, zuccheri) L’atomo è una delle strutture più piccole che l’uomo conosce, è costituito da un nucleo centrale formato da protoni (+) e neutroni (/), in cui orbitano gli elettroni (-). I protoni e gli elettroni se l’atomo non ha carica elettrica sono dello stesso numero, i protoni assieme ai neutroni costituiscono il numero di massa mentre i protoni il numero atomico dell’elemento. Un atomo può formare ioni, se perde un elettrone diventa un catione (+), se acquisisce un elettrone diventa un anione (-). La forza elettrostatica è la forza che si genera quando degli oggetti sono caricati elettronicamente, può essere attrattiva o repulsiva e regola l’equilibrio degli atomi. La tavola periodica è la tavola che presenta tutti gli elementi finora scoperti e gli elementi sono disposti per numero atomico(numero dei protoni), sulla parte destra si trovano i gas nobili(coloro che hanno gli orbitali completi e sono i meno reattivi essendo stabili secondo la regola dell’ottetto=8 elettroni di valenza sull’orbitale più esterno in cui si trovano gli elettroni di valenza(sono gli elettroni che orbitano sull’orbitale più esterno e che gli atomi condividono per raggiungere la stabilità elettronica)). Gli elettroni di valenza sono alla base dei legami chimici in cui vengono messi in compartecipazione gli elettroni. I legami chimici si possono formare tra più atomi e si formano per raggiungere una configurazione più stabile dal punto di vista energetico come per i gas nobili così da permettere a tutti gli atomi di raggiungere l’ottetto. L’ossigeno, avendo 6 elettroni sull’orbitale più esterno, gli servono due elettroni per raggiungere la stabilità energetica secondo la regola dell’ottetto dunque può formare uno o più legami, al carbonio invece con 4 elettroni soltanto sull’orbitale più esterno gli servono 4 elettroni per raggiungere la stabilità per questo può formare fino a 4 legami. Due atomi possono mettere in compartecipazione gli elettroni di valenza così come uno dei due può strapparli ad un altro, dipende dalla stabilità (es: il potassio che ha un solo elettrone sul suo orbitale più esterno preferisce perdere un elettrone rispetto ad andarli a cercare 7 per raggiungere la stabilità, il cloruro invece che ha 7 elettroni sul suo orbitale più esterno ricerca atomi a cui strappare elettroni per raggiungere la stabilità). Due atomi collaborano tra di loro solo se si ha un guadagno energetico. Un legame covalente è un legame in cui gli atomi condividono gli elettroni nei loro gusci più esterni, può essere apolare (<0,5) se l’elettronegatività dei due atomi è la stessa o polare (0,5-1,7) se l’elettronegatività tra i due atomi è diversa. L’elettronegatività è la tendenza di un atomo di strappare elettroni. Un legame ionico si forma invece quando tra i due atomi c’è grande differenza di elettronegatività (>1,7), con uno dei due atomi che strappa gli elettroni di valenza all’altro formando ioni (un catione e un anione). Per separare un legame ionico occorre molta energia essendo un legame forte, per formarlo invece di energia ne occorre poca, certamente meno di un legame covalente. Le proprietà dell’acqua: Le proprietà dell’acqua sono legate al legame idrogeno (è un legame debole in cui prendono parte due molecole di cariche di segno opposto. Richiede la presenza dell’idrogeno e si forma quando l’idrogeno legato ad un atomo elettronegativo è in prossimità di un atomo elettronegativo). Ciò spiega il perché l’acqua quando si congela il volume si espande poiché le molecole poste in disordine nel fluido si devono organizzare per strutture tridimenzionali sulla base dei legami idrogeno. L’acqua può presentarsi in tre stati: lo stato gassoso, lo stato liquido e lo stato solido. Nello stato gassosa le molecole sono libere di legami disolfuro i gruppi SH con lo zolfo (possono solo formarsi in presenza di due cisteine, questi sono i legami più stabili e permettono ad esempio ai capelli di essere ricci anziché lisci)) Struttura terziaria: Struttura tridimensionale delle proteine, è stabilizzata da legami non covalenti come ponti a idrogeno, si hanno interazione idrofobiche tra amminoacidi e non polari e ioni ionici. Ma è stabilizzata anche da legami covalenti sotto forma di ponti disolfuro tra due cisteine. Le interazioni a livello tridimensionale coinvolgono amminoacidi non necessariamente vicini nella struttura primaria. La struttura terziaria include il ripiegamento delle strutture regolari (alfa beta e beta foglietto) dando luogo a combinazioni molto stabili. La struttura è determinata in parte anche dai gruppi R, che prima di tutto determinano le sue proprietà macroscopiche. Quando la struttura terziaria di una proteina si altera e viene persa in presenza di vari fattori come la temperatura, la proteina va incontro a denaturazione perdendo la sua attività biologica, la denaturazione può però anche essere reversibile anche se ciò è molto improbabile, se così fa la proteina riacquisisce la sua struttura tridimensionale e continua con il suo operato. Queste proteine possono essere fibrose o globulari: Le proteine fibrose: sono di origine animale, sono insolubili in acqua e assolvono ruoli strutturali. Si dividono in cheratine (hanno struttura alfa elica e formano tessuti protettivi), le collagene (hanno struttura alfa elica e formano tessuti connettivi) e le sete (hanno struttura beta foglietto e sono come i bozzoli dei bachi da seta). A conferire la loro rigidità e insolubilità sono i gruppi apolari e ponti difosfuro. Le proteine globulari: Sono solubili in acqua, assumono forma sferica e assolvono le funzioni biologiche. Possono essere enzimi, ormoni, proteine di trasporto o proteine di deposito. Contengono amminoacidi con catene polari e sono tutte strutture elicoidali, le loro interazioni sono dovute a ponti disolfuro, alla polarità o meno dei gruppi R e alla capacità di formare legami ad idrogeno Struttura quaternaria: Unione di più subunità diverse di proteine. L’emoglobina ha quattro subunità uguali due a due. Gli acidi nucleici: Sono l’ultimo gruppo di biomolecole, gli acidi nucleici sono il DNA e l’RNA e sono macromolecole specializzate per l’immagazzimento e l’utilizzo delle informazioni che servono al funzionamento della cellula è dell’intero organismo. I loro monomeri sono i nucleotidi (adenina, citosina, guanina, timina (DNA)/uracile (RNA)). Il DNA ha struttura a doppia elica e i due estremi hanno polarità opposta, la struttura dell’RNA è invece lineare. La membrana cellulare La membrana è costituita da un doppio strato lipidico con un mosaico di proteine associate che sono parti integranti della membrana stessa e che possono associarsi o integralmente o in modo periferico, ossia o può attraversare completamente il doppio strato lipidico o collegarsi solamente ad uno dei due strati o quello interno o quello esterno. La sua funzione è quella di delimitare i contorni della cellula e dei suoi compartimenti, serve come barriera di impermeabilità, oltre a fornire anche mezzi di comunicazione alle cellule adiacenti (dalle giunzioni comunicanti nelle cellule animali e dai plasmodesmi nelle cellule vegetali). Oltre a ciò permettono e regolano il trasporto delle sostanze all’interno e all’esterno della cellula così come rilevano, trasmettono e trascrivono segnali. La membrana è fatta da lipidi e proteine, in particolare i lipidi che la costituiscono sono i fosfolipidi ma non sono gli unici. Queste molecole che la formano determinano una forma di asimmetria poiché i due strati sono diversi. La membrana non è rigida ma fluida dato che i fosfolipidi si muovono(in particolare ruotano intorno al loro asse e possono spostarsi all’interno del loro foglietto lateralmente, il passaggio ad altri foglietti/monostrati(detto flip e flpo)non avviene spontaneamente ma è necessaria una flippasi), ciò permette alle proteine di muoversi anch’esse nella membrana, se una proteina necessita di stare in una posizione ben precisa della membrana deve essere accurata(ciò avviene grazie al citoscheletro che è la struttura cellulare che ha la funzione di dare forma e sostegno alla cellula stessa). Le proteine e i lipidi possono unirsi a degli zuccheri e formare glicoproteine e glicolipidi (ovviamente i residui di zucchero si ritrovano verso il lato esterno). Le glicoproteine hanno diverse funzioni, la più importante è quella di fare da riconoscimento tissutale (es:il riconoscimento del gruppo sanguigno). Lo strato di zuccheri esterno è chiamato glicocalice. I lipidi hanno una testa polare e le code idrofobiche mentre le proteine sono completamente idrofobiche, e dove sono presenti è una zona idrofobica e nulla di ciò che è polare può passare. Le proteine possono avere struttura primaria e secondaria e a parte eccezioni attraversano la membrana le proteine con struttura alfa elica. Componenti della membrana: Lipidi, proteine e glicoproteine Lipidi: fosfolipidi (fosfogliceridi o i sfingolipidi), glicolipidi (lipidi carboidrati, i più frequenti sono i glicosfingolipidi, alcuni esempi sono i cerobrosidi e i gangliosidi) e steroli (il più importante è il colesterolo che va a costituire le membrane) Il fosfolipide è fatto da una molecola di glicerolo (alcol a tre atomi di carbonio, i tre gruppi ossidrilici OH reagiscono con le altre molecole), due molecole di acidi grassi(catene carbonio idrogeno, hanno come gruppo funzionale il gruppo carbossilico il gruppo COOH, gli acidi grassi si dividono in saturi con legame semplice o insaturi con doppio legame), un gruppo fosfato e un gruppo polare con l’azoto presente. I fosfolipidi si formano quando il glicerolo interagisce con due di quei gruppi ossidrilici insieme all’acido grasso, il terzo ossidrile va ad interagire con un gruppo fosfato che si lega al gruppo polare con l’azoto presente. Ciò permette la formazione di una molecola con le due code sono idrofobiche e apolari (la regione con gli acidi grassi) mentre la testa è idrofila e polare (glicerolo, gruppo fosfato e gruppo polare). Solo la testa dei fosfolipidi può interagire con l’acqua, cioè la parte idrofobica, i fosfolipidi infatti si posizionano con le code verso l’alto non interagendo con le molecole d’acqua. Ciò che succede nella cellula è la formazione di un doppio strato lipidico poiché le teste sono rivolte verso l’acqua all’interno e all’esterno mentre le code si serrano creando un ambiente idrofobico che non può interagire con l’acqua. Tra i fosfati possiamo trovare la fosfatidiletanolammina, la fosfotidilserina(prevalentemente carica in modo negativo, prevale nel monostrato interno), la fosfatidilcolina e la sfingomielina. Tutti i lipidi di membrana hanno sempre una regione polare ed una apolare, dunque non solo i fosfolipidi ma anche i glicolipidi e i steroli. Le percentuali dei vari fosfolipidi cambia in base al tipo di membrana della cellula e dal suo ruolo svolto, ad esempio la cardiolipina è presente soltanto nei procrarioti e si trova solamente nei cloroplasti e mitocondri. La distanza fra fosfolipidi con acidi grassi insaturi è maggiore rispetto a quelli saturi, ciò è uno degli elementi cardine della fluidità della membrana. La membrana cellulare si origina al livello del reticolo endoplasmatico liscio, ed è formata da un doppio strato lipidico che è asimmetrico perché i due strati hanno composizione lipidica differente (determinata dalla biogenesi della cellula), si differenziano i due monostrati sia per le differenze di lipidi sia per le differenze di acidi grassi, saturi e insaturi. La maggior parte dei glicosfingolipidi si accumulano nel monostrato interno conferendo una prevalenza di cariche negative, ciò è importante per il trasporto di sostanze. La membrana plasmatica ha la particolarità di essere fluida, all’interno c’è un’esposizione densa mentre all’esterno c’è l’acqua, a dare struttura alla membrana è il citoscheletro. A dare questa fluidità è la distanza fra le molecole che sono in parte libere di muoversi e anche dagli elementi di cui è composta la membrana. Tra i fattori che determinano la fluidità c’è la temperatura(più è alta e più una sostanza risulta fluida), il più importante è senza dubbio il livello di insaturazione e di lunghezza degli acidi grassi(gli acidi grassi insaturi rendono la membrana più fluida così come le catene corte degli acidi grassi perché formano meno interazioni rispetto alle catene lunghe) e il colesterolo(si va ad inserire in prossimità degli acidi grassi saturi e aumenta la fluidità quando si hanno temperature basse e la diminuisce quando si hanno temperature alte). Quando si fornisce energia, la membrana è più fluida e le molecole sono più scomposte mentre quando diminuisce l’energia, in particolare termica, le molecole tendono ad assumere una struttura rigida per formare legami. Proteine di membrana: Le proteine possono interagire con la membrana in vari modi, possono essere integrali/intrinsiche(sono idrofobe, attraversano completamente la membrana o sono inserite in un monostrato lipidico) o possono essere periferiche/estrinseche(sono idrofile, interagiscono con la membrana ma non l’attraversano, sono per lo più legate ad un residuo lipidico, possono interagire con altre proteine e queste interazioni le stabilizza nella membrana). La funzione più importante delle proteine è fornire la via di accesso alla cellula alle sostanze provenienti dall’esterno (es:il glucosio, l’elemento base di tutte le attività energetiche entra grazie all’ausilio di alcune proteine). Alcune proteine nel loro passaggio penetrando la membrana determinano un canale idrofilico in cui alcune sostanze possono liberamente passare (solitamente ci passano per lo più ioni). L’ultima funzione delle proteine è il riconoscimento tissutale soprattutto per le glicoproteine e anche per captare i segnali nella comunicazione cellulare. Trasporto di membrana Il grosso lavoro del trasporto sulla membrana è dovuto alle proteine intramembrana, oltre a ciò le proteine ovviamente svolgono anche altre funzioni come la comunicazione cellulare e il riconoscimento tissutale oltre a recepire i segnali dall’esterno a seconda delle esigenze (es: i muscoli si contraggono perché alle proteine intramembrana giunge un segnale a cui rispondono prontamente). Tutte le proteine che fungono da trasporto determinano sempre un passaggio mentre le proteine che fungono da segnale non determinano alcun passaggio ad eccezione dei canali ionici. La membrana plasmatica è semipermeabile poiché costituita da un doppio strato lipidico, dunque tutte le sostanze idrofile e grandi non possono attraversarla perché non possono solubilizzarsi al contrario delle sostanze idrofobiche e piccole(Le molecole come l’azoto e il benzene essendo piccole e idrofobiche possono solubilizzarsi nel doppio strato lipidico così le molecole polari come l’acqua, l’urea e il glicerolo essendo di carica neutra, mentre tutte le molecole come glucosio e saccarosio che sono polari e troppo grandi non possono attraversare la membrana come gli ioni tipo l’idrogeno e il sodio che hanno una carica elettrica netta positiva o negativa che sia). Un elemento è solubile in un altro quando si scioglie in lui, una molecola è solubile in un solvente quando il soluto può interagire con il solvente (es:il glucosio è solubile in acqua perché ha dei gruppi funzionali ossidrilici che possono interagire con l’acqua). Le sostanze possono passare più o meno facilmente nella membrana (es: l’ossigeno i lipidi passano molto facilmente, mentre passano più lentamente l’acqua e l’anidride carbonica, non passano invece gli ioni come il potassio, il sodio o il cloro poiché hanno una carica netta). Il trasporto passivo invece a differenza del trasporto attivo avviene secondo gradiente elettrochimico e utilizzando l’energia potenziale(si può passare da una zona più concentrata ad una meno concentrata con una variazione di concentrazione che può essere continua con tutti gli strappi intermedie, elettrochimico perché le sostanze da trasportare possono avere carica elettrica, infatti nella membrana c’è una distribuzione asimmetrica dei lipidi, al di sotto della membrana prevalgono le cariche negative e le positive all’esterno. Si utilizza energia potenziale perché non esiste lavoro senza consumo di energia, come nel trasporto attivo anche nel passivo si consuma energia , l’energia potenziale nel trasporto passivo è dovuta alla differenza di concentrazione, questa energia è intrinseca al sistema, nel caso del sodio anche una concentrazione elettrochimica). A volte una sostanza può essere cotrasportata insieme ad un'altra che va sempre a favore del suo gradiente elettrochimico, questo genera energia poichè va a favore del gradiente di concentrazione opponendosi alla sostanza che va contro gradiente. Il trasporto attivo utilizza energia, nel caso della pompa sodio potassio utilizza l’ATP come fonte di energia, alcune pompe invece utilizzano la luce. Nella pompa sodio potassio si trasportano sodio e potassio, il sodio esce dalla cellula e si concentra nell’ambiente extracellulare mentre il potassio si concentra all’interno della cellula. Il sodio sono tre ioni Na+ che vanno contro gradiente poiché la concentrazione di ioni positivi è maggiore all’esterno e minore all’interno, togliendo tre ioni positivi da un ambiente carico negativamente. Contro gradiente è sia per la concentrazione sia per la distribuzione delle cariche elettriche. Il potassio va invece sempre contro gradiente di concentrazione ma sono due ioni K+ che dall’ambiente esterno vanno verso l’ambiente intracellulare, dunque contro gradiente chimico ma a favore del gradiente elettrico. La proteina di trasporto aperta all’interno della cellula ha tre alloggiamenti per legare il sodio, il sodio non fa cambiare configurazione e dunque struttura alla proteina ma cambia soltanto quando viene fosforilata con l’utilizzo di una molecola di ATP la proteina cambia la sua configurazione e struttura aprendosi all’esterno e rilasciando gli ioni sodio. A questo punto si possono legare gli ioni potassio su un’altra porzione della proteina, anche in questo caso l’interazione fra gli ioni potassio e la proteina non è sufficiente a fargli cambiare configurazione ma la proteina deve essere defosfolidata(rimodificata chimicamente), ciò la fa tornare nella condizione iniziale e perde affinità per gli ioni potassio che abbandona. Il gruppo fosfato che interagisce con la proteina è dunque importantissimo per far si che la proteina cambi configurazione e quindi struttura, a fosfolidare ci pensa una chinasi(enzima) a defosfolidare ci pensa una fosfatasi(enzima). Nella cellula può crearsi una differenza netta tra gli ioni sodio all’interno e quelli all’esterno, questa differenza di concentrazione viene sfruttata per altre funzioni come trasmettere impulsi nervosi e l’acquisizione di altre sostanze(es: acquisire dai villi intestinali alcuni elementi come il glucosio. I trasportatori del glucosio sono posizionati alla base delle cellule e rivolti verso il fluido extracellulare e dunque verso i vasi sanguigni. Il glucosio viene trasportato insieme al sodio da una proteina(che lavora per differenza di concentrazione del sodio), sono trasportati insieme poichè entrambe le sostanze vanno nella stessa direzione. In questo processo è fondamentale la pompa sodio potassio che si apre verso l’esterno per accogliere glucosio e sodio e successivamente aprendosi verso l’interno espelle prima il sodio verso l’esterno e libera il glucosio verso l’interno della cellula. Questo tipo di trasporto è definito trasporto attivo poiché svolge un ruolo fondamentale la pompa sodio potassio. Per la cellula il glucosio è la principale fonte di energia e per evitare che venga disperso non viene trasportato per differenza di concentrazione ma una volta che entra dentro la cellula viene subito trasformato in glucosio 6 fosfato entrando nel ciclo della glicolisi così da non lasciare fuori dalla cellula neanche una molecola di glucosio). Negli eucarioti si ha anche un altro trasporto attivo definito indiretto o secondario in cui l’energia non è direttamente fornita dall’idrolisi dell’ATP ma da un gradiente elettrochimico prodotto dal trasporto attivo primario(vengono utilizzati ioni Na+ e H+ per favorire il movimento contro gradiente di concentrazione o la pompa Ca+2 che ha il compito di regolare gli ioni calcio verso lo spazio extracellulare). Per le macromolecole come proteine o polisaccaridi il trasporto avviene in vescicole delimitate da membrana tramite esocitosi(dall’interno all’esterno della cellula) o endocitosi(dall’esterno all’interno della cellula). Comunicazione cellulare La comunicazione cellulare è una delle tante funzioni che svolgono le cellule e i meccanismi e le modalità di linguaggio che utilizzano possono essere diversi in base alla cellula. Negli organismi unicellulari la cellula deve solo captare i segnali dall’ambiente esterno e rispondere immediatamente mentre negli organismi pluricellulari le cellule devono coordinarsi e dunque il processo di ricevere il segnale e rispondere e più complesso rispondendo sia a stimoli esterni e interni. Ci deve sempre essere una cellula che emette il segnale e un’altra che lo riceve. La cellula di segnalazione emette delle molecole segnale che devono essere recepite dalla cellula bersaglio, in cui un recettore posto sulla membrana o sul citoplasma in base al tipo di molecola segnale(se la molecola è idrofila non può passare la membrana quindi necessita di un recettore su di essa, se una sostanza è invece lipofila può passare tranquillamente la membrana e il recettore sarà nel citoplasma). Le molecole segnale possono avere natura amminoica(es: glutammato), ma il più delle volte sono di natura proteica(es: insulina)o lipidica(es: testosterone). A volte le cellule possono comunicare anche con una molecola segnale non rilasciata nell’ambiente extracellulare ma presente sulla membrana cellulare che viene recepita da una cellula bersaglio in sua prossimità sempre con un recettore di membrana, una volta che è avvenuta questa interazione si attiva un processo a cascata piuttosto complesso che determina un’amplificazione del segnale mediata da molecole intracellulari che portano a modificare l’azione di alcune proteine(le proteine bersaglio modificano le loro funzioni, es: se si modifica un enzima metabolico cambia il metabolismo o si può regolare l’espressione dei geni, si può anche modificare la forma delle cellule o indurle al movimento). Tutto ciò che accade nelle cellule del nostro corpo è grazie alle proteine ed è così anche per la comunicazione cellulare. I recettori o sono di membrana/superfice(es: i recettori dell’insulina) o intracellulari, le proteine bersaglio possono essere o enzimi metabolici(modificazione del metabolismo), proteine regolatori dei geni(modificazione genetica) o proteina del citoscheletro(modificazione di forma o spostamento). Queste molecole segnali si muovono, e possono essere trasportate dalla cellula segnale alla cellula bersaglio tramite il circolo sanguigno(comunicazione endocrina)=(processo mediato dagli ormoni, es: questo processo è svolto dalle ghiandole endocrine che producono ormoni che rilasciano nel sangue, questo tipo di comunicazione è definita anche comunicazione endocrina), altre volte invece le cellule segnale rilasciano il segnale nell’ambiente esterno limitrofo arrivando così per inerzia alla cellula bersaglio(comunicazione autocrina/paracrina(processo mediato dai mediatori locali, es: processo svolto della piastrine rilasciando mediatori locali per riuscire a chiudere in breve tempo una ferita, può distinguersi in paracrina(il segnale viene emesso arrivando ad una cellula bersaglio, la cellula segnale e la cellula bersaglio sono cellule diverse)o autocrina(la cellula segnale emette il segnale verso l’esterno e viene recepito dalla stessa cellula sulla membrana autocondizionandosi da sola). In questa categoria(comunicazione cellulare paracrina) abbiamo le comunicazioni nervose che possono avvenire solo da cellule eccitabili dal punto di vista elettrico(dunque neurone-neurone-neurone-giunzione neuro muscolare), in uno spazio ristretto(che può essere una sinapsi)vengono rilasciate delle sostanze(i neurotrasmettitori)che fungono da segnale e vengono subito captati dalla cellula bersaglio, lo spazio in cui vengono rilasciati i neurotrasmettitori è molto piccolo e il passaggio delle informazioni è rapidissimo. Una segnalazione endocrina e sinaptica può raggiungere sostanze diverse e avere cellule bersaglio diverse così come possono lavorare in modo diverso tra cellule diverse(es: l’acetilcolina se viene captata dalle cellule del miocardio riduce la contrazione, se viene captata da cellule muscolari aumenta la contrazione, se viene captato da una cellula segnale produce più saliva. Il segnale è lo stesso, le cellule che lo captano sono diverse e la risposta è differente). Le comunicazioni possono essere anche contatto dipendenti sono importanti ad esempio nello sviluppo embrionale(lo zigote è un’unica cellula che si è divisa infinite volte per formare tessuti diversi) Il processo di risposta cellulare si articola solitamente in tre stadi: attivazione del recettore che induce un cambiamento della sua conformazione, successivamente si ha la trasduzione del segnale(principalmente il processo è condotto dalle proteine enzimatiche che modificano la loro struttura terziaria in maniera reversibile attraverso processi di fosforilazione(aggiunta di un gruppo fosfato fornito dall’ATP, il processo è reversibile tramite defosforilazione) mediati da chinasi, con il messaggio che passa da una cellula intracellulare all’altra per attivare l’ultima fase, la risposta cellulare. I recettori di superfice: Si dividono in recettori annessi a canali ionici(sono canali ionici che si aprono e si chiudono cambiando conformazione non appena arriva un segnale, tali recettori sono importanti per i segnali veloci di tipo nervoso o muscolare), recettori accoppiati a proteine G(sono recettori che si legano a delle proteine intracellulari dette G(ne esistono di tre tipi: possono essere alfa(che si distingue in GDP(forma disattiva) e GTP(forma attiva)), beta o gamma). Le proteine G funzionano come fossero interruttori molecolari a tempo poiché propagano all’interno della cellula per un breve lasso di tempo il segnale ricevuto. Ciò fa attivare l’enzima adenilato ciclasi)che produce cAMP(adenosina monofosfato ciclico), questa sostanza fa da primo messaggero attivando la PKA(proteina chinasi A) che attraverso la fosforilazione(aggiunta dei gruppi fosfato)modifica l’attività delle proteine bersaglio e viene data la risposta cellulare. Se al posto dell’adelinato ciclasi si attiva la fosfolipasi C si produce il secondo messaggero ossia il Ca++(calcio) che attiva la PKC(proteina chinasi C, dette calmoduline), il PKC riesce dunque a fosfolirare e le proteine bersaglio elaborano la risposta cellulare. Tutto questo processo complesso è dovuto ai secondi messaggeri, come cAMP e Ca++ che amplificano il segnale e aumentano la velocità di esecuzione del processo) e recettori collegati ad enzimi(tra questi il processo più rilevante è formato dai recettori con attività tirosin chinasica(proteine integrali transmembrana con funzioni catalitiche di fosforilare tirosine del recettore stesso. In particolare la molecola segnale lega il recettore che può fosforilarsi e dunque attivare . Il recettore può associare a più proteine, prima lega una proteina GRB2, processo necessario per legarsi ad un'altra proteina detta SOS, tutto ciò serve per attivare una terza proteina detta Ras(una proteina G di tipo alfa che può trovarsi in uno stato inattivo con GDP o attivo con GTP). Ras interagisce con una chinasi attivando Raf che produce altre due chinasi a cascata prima attivando Mek e poi Erk. L’attivazione di Erk ne causa la sua traslocazione nel nucleo dove può fosforilare e dunque attivare le proteine bersaglio(fattori di trascrizione)deputate a tenere sotto controllo la proliferazione e il differenziamento cellulare. I recettori intracellulari: Possono essere legati da molecole segnali idrofobiche in grado di attraversare il doppio strato lipidico della membrana. Un esempio sono gli ormoni steroidei che legano il loro recettore nel citoplasma inducendo un cambiamento conformazionale che gli permette di formare un dimero che si sposta nel nucleo dove si lega con il DNA attivando una trascrizione di un gene specifico. I diversi percorsi di segnalazione interagiscono dentro la cellula facendo si che possa produrre una risposta appropriata al segnale. I segnali sono necessari alla vita della cellula poiché essa in assenza di segnali si suicida(il processo è chiamato apoptosi) Nucleo Il nucleo rappresenta l’organulo più voluminoso delle cellule eucariote. La sua presenza costituisce la principale differenza tra cellule procariote(il materiale genetico è sparso nel citoplasma)e cellule eucariote(il materiale genetico è contenuto nel nucleo). Per lo più appare sferico ed è posto nella regione centrale del citoplasma anche se la sua forma, dimensione e locazione è variabile. Il nucleo è la sede dell’informazione genetica contenendo il DNA, oltre ad essere il luogo in cui le molecole di DNA sono duplicate e trascritte e dove matura l’RNA. Il nucleo può infatti essere definito il centro di controllo della cellula eucariote. Il nucleo è delimitato da una doppia membrana nucleare(all’esterno dalla carioteca che è in continuità con il reticolo endoplasmatico, all’interno dal nucleoplasma che è a stretto contatto con la lamina nucleare che funge da sostegno e ancoraggio per la cromatina oltre a contenere il nucleolo(è l’organulo responsabile della sintesi dell’RNA ribosomiale e dell’assemblaggio delle subunità dei ribosomi. Si tratta di una struttura fibrosa non delimitata da membrana ma circondato da uno strato di cromatina condensata. Formato principalmente da DNA, che codificano per l’RNA ribosomiale, filamenti di RNA nascenti e proteine). Le due membrane sono costituite in maniera differente sia per quanto riguarda i andare ad unire i nucleotidi( i primi nucleotidi non è in grado di andarli ad unire ma lo fa solo alla fine andando a riprendere ciò che al suo posto ha svolto l’enzima primasi(inizia la sintesi nel primo tratto costituito principalmente da RNA, fa ciò perchè la DNA polimerasi non riesce a farlo(questo tratto è detto primer)), a produrre gli acidi nucleici del nuovo filamento sono invece i nucleotidi trifosfati. I due nucleotidi si uniscono tra di loro tramite il legame fosfodiesterico tra l’OH al carbonio tre e il fosfasto al carbonio cinque. Il filamento stampo deve essere complementare e avere direzione opposta dell’altro filamento(la direzione normale del filamento è 5’3’ mentre la direzione del filamento stampo ha direzione 3’5’ per permettere la formazione del doppio filamento antiparallelo in modo tale da avere complementarietà delle basi), entrambe le DNA polimerasi vanno nella stessa direzione, abbiamo un filamento veloce e un filamento lento(composto dai frammenti di Okazaki, frammenti uniti fra di loro attraverso la DNA ligasi). Il meccanismo dei due processi è lo stesso ma nel filamento lento, il filamento entra nella DNA polimerasi dopo aver compiuto un’ansa per piccoli tratti(ciò forma un frammento di Okasaki e ogni frammento si innesca attraverso un primer) in cui la direzione è opposta rispetto alla normale direzione del filamento, l’ansa formata e dunque il frammento di Okasaki permette dunque alla DNA polimerasi di fare il suo lavoro poiché arrivata in corrispondenza del primer il filamento assume direzione opposta per un breve tratto. La direzione normale del filamento è 5’ 3’ mentre nel filamento che comprende i frammenti di Okasaki è opposta e dunque 3’ 5’. Una differenza è che nel filamento veloce il primer è presente solo nel primo tratto del processo mentre nel frammento lento si ha un primer ad ogni ansa compiuta e dunque ad ogni frammento di Okasaki. Se in questo processo la DNA polimerasi sbaglia cambia l’informazione genetica e induce una mutazione alterando la cellula in modo permanente, per evitare errori ha un sistema intrinseco (capacità di correttore di bozze (la DNA polimerasi compie un errore ogni circa 10 milioni di nucleotidi ma è in grado di correggere immediatamente l’errore tagliando il nucleotide sbagliato tornando indietro, sostituendolo con il nucleotide giusto. Percepisce l’errore poiché si forma una struttura non corretta e distorta con lo sbaglio compiuto dalla DNA polimerasi)) che gli permette di riconoscere e andare a correggere eventuali piccoli errori. Un altro elemento importante è il morsetto scorrevole che si allenta e si stringe, quando si allenta permette al filamento di scorrere mentre quando si stringe permette alla DNA polimerasi di polimeralizzare il filamento. La DNA polimerasi esiste in diverse forme, sono dei diversi complessi proteici che lavorano tutti insieme, hanno tutti bisogno di una catena già composta, un primer per allungare la catena e ha bisogno di desossiribonucleotidi trifosfati per formare il DNA. La primasi è l’enzima che produce il primer (un tratto di RNA che permette alla DNA polimerasi di compiere il suo lavoro. Alla fine del processo la DNA polimerasi si occupa di riformare anche il filamento formato dalla primasi sfruttando la catena formata per evitare errori nella duplicazione, a unire i tratti discontinui tra il filamento e il pezzo iniziale formato successivamente dalla DNA polimerasi alla catena è una DNA ligasi). Negli eucarioti, avendo un cromosoma con struttura lineare e non circolare come nei procarioti, possono essere un problema le estremità del filamento poiché la primasi non può occuparsene e la DNA polimerasi non riesce ad allungare il filamento per via del numero di nucleotidi troppo basso. Il rischio è quello che i cromosomi si accorcino ad ogni duplicazione facendo perdere informazioni importanti al DNA. L’informazione genetica non si perde poiché negli eucarioti i terminali dei cromosomi non hanno informazioni e sono costituiti da sequenze ripetute definite telomeri , queste sequenze siccome sono ripetute non vengono aggiunte dalla polimerasi ma dalla telomerasi (è un enzima che ha nella sua struttura interna una sequenza di RNA complementare all’estremità del filamento, la telomerasi riesce a risolvere dunque il problema aggiungendo ciò che è complementare al suo RNA strutturale e dunque formando la catena come è necessario che sia formata. Anche se questi nucleotidi non contengono informazione genetica questo enzima è comunque importante perchè evita che le catene si accorcino troppo e che si arrivi a perdere informazione genetica oltre a proteggere il cromosoma. La telomerasi perde efficienza con l’avanzare dell’età dell’individuo e dunque sempre più corti diventano i telomeri, è dunque responsabile dell’invecchiamento cellulare). La duplicazione del DNA è ovviamente parallela alla duplicazione della cromatina (la struttura di come appare il DNA nelle nostre cellule). Trascrizione: Il dogma centrale della biologia è costituito dal DNA che può replicarsi continuamente e essere trascritto in RNA (questi due eventi che avvengono nello stesso posto (il nucleo) ma sono eventi indipendenti fra loro e non complementari, solitamente quando il DNA si duplica non produce RNA), in esso è presente l’informazione codificata nella sequenza delle basi azotate, l’informazione giunta all’RNA passa successivamente alle proteine che mettono in atto l’informazione arrivata. Il processo è dunque DNA- RNA-proteine attraverso enzimi, il passaggio di informazioni tra RNA-DNA cioè il processo inverso per anni si è ritenuto non fosse possibile mentre recentemente gli scienziati hanno scoperto che è un processo che può accadere (l’HIV è in grado di trasformare la sua molecola di RNA in DNA). Anche nell’enzima telomerasi che ha in sè un tratto di RNA per formare il DNA, ciò lo fa attraverso le trascriptasi inverse(enzimi), questo è un caso particolare poiché normalmente non si passa dall’RNA al DNA nelle cellule eucarioti al contrario delle cellule procarioti (in particolare nei virus). Ci sono le eccezioni che confermano la regola del dogma centrale della biologia (DNA-RNA-proteine). Il primo step è quello di copiare l’informazione (cioè il tratto di DNA interessato a fare ciò), si copia dunque un filamento dei due del DNA e si produce una molecola di RNA messaggero (copia l’informazione per produrre una proteina) , l’RNA di trasporto e ribosomiale si producono allo stesso modo con il processo di trascrizione (avviene sempre per complementarietà delle basi. Trasferimento di informazione da un acido nucleico ad un altro utilizzando lo stesso linguaggio di base) come per l’mRNA ma hanno altre funzioni l’rRNA va a costituire i ribosomi mentre il tRNA è responsabile del trasporto degli amminoacidi. L’mRNA messaggero deve essere successivamente trasformato poiché si deve operare la traduzione del messaggio(coinvolge un cambiamento di linguaggio poiché dalla catena nucleotidica dell’RNA si passa ad una sequenza amminoacidica), la molecola di mRNA deve passare da essere fatta di nucleotidi ad essere composta da amminoacidi, questo processo attraverso un preciso codice permette di far passare le sequenze dei quattro nucleotidi a oltre venti amminoacidi diversi(ad ogni combinazione di nucleotidi corrisponde un amminoacido differente). Nei procarioti la traduzione e trascrizione avviene tutta nello stesso ambiente non essendo presente il nucleo mentre negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo mentre la traduzione avviene nel citoplasma), le modalità rimangono però sempre le stesse. Anche nel caso della trascrizione l’RNA di nuova sintesi è necessariamente complementare alla sequenza di DNA che si deve trascrivere, deve essere sempre presente il legame fosfodiesterico e la direzione di sintesi è sempre 3’5’, ciò comporta che il processo di trascrizione produce un filamento singolo, uno dei due filamenti del DNA è trascritto (filamento stampo o filamento antisenso) mentre un altro è il filamento non trascritto(senso). Il filamento identico all’mRNA è il filamento non trascritto o detto senso poiché l’altro filamento gli funge da stampo. La sequenza del filamento non trascritto e dunque dell’mRNA deve essere letta e trasformata in una sequenza di amminoacidi e dunque una proteina. Per compiere questo processo la sequenza del filamento viene divisa in triplette(codoni), ogni codone corrisponde ad un amminoacido. A essere trascritta è solo una parte di DNA necessaria a formare l’RNA e successivamente le proteine , questa parte è definita gene (tratto di DNA che ha l’informazione per produrre RNA o una proteina). Nell’ mRNA si ha un gene per cromosoma dunque due geni per ogni proteina, per il tRNA e l’rRNA il numero di geni è superiore essendo traducenti e non traducibili. Alcune cellule possono produrre più o meno geni in base al loro compito. L’enzima che opera la polimeralizzazione dell’mRNA è l’RNA polimerasi grazie alla presenza del filamento stampo del DNA e dei ribonucleotidi trifosfati a fornire energia per il legame fosfodiesterico, dunque si aprono i due filamenti di DNA, uno dei due funge da stampo per l’RNA, l’RNA polimerasi polimerizza come per la DNA polimerasi grazie al filamento stampo e complementarietà delle basi. La differenza con la DNA polimerasi è che l’RNA polimerasi non ha bisogno di nessun primer per partire ma è in grado dii iniziare la trascrizione dell’RNA da sola. Negli eucarioti esiste solamente una RNA polimerasi mentre nei procarioti ne esistono di tre tipi (tipo 1 per gli RNA ribosomiali, tipo 2 per gli RNA messaggeri e tipo 3 per gli RNA di trasporto). La direzione del legame è sempre 3’5’ come nella DNA polimerasi. L’RNA polimerasi ha la difficoltà di sapere quale dei due filamenti del DNA deve copiare , dove iniziare e dove terminare, per sapere tutto ciò si affida alla struttura del gene. Il gene viene definito come la regione che controlla una caratteristica ereditaria ben definita e che produce o una proteina o un tipo di RNA (esistono geni che producono rRNA e tRNA). Il primo esempio di gene è quello procariotico (gene stabilito da un tratto di DNA dove si riconoscono sequenze interne specifiche che sono la regione del promotore (il punto in cui si inizia a trascrivere l’RNA polimerasi. Il promotore dà l’indicazione di dove iniziare a trascrivere e stabilisce quale dei due filamenti deve essere letto cioè quale è il filamento stampo) la regione codificante (la zona in cui avviene la trascrizione del gene) e la regione del terminatore (ha la funzione di fare dissociare l’RNA polimerasi per concludere la trascrizione). Queste regioni sono ovviamente sequenze di DNA che sono riconosciute da proteine di regolazione. Detto ciò il promotore è sempre a valle del gene mentre il terminatore è a monte). Negli eucarioti il sistema è diverso, il tutto è più complesso anche se si hanno le stesse tre regioni: la regione del promotore, la regione codificante e la regione del terminatore, anche se esse sono divisi in altre sotto regioni di regolazione, nel promotore si ha la tatabox(ripetizione continua costituita da timina e adenina, è il cuore centrale del promotore ed è necessaria all’RNA polimerasi per capire dove può legarsi), la catbox(ripetizione continua costituita da citosina, adenina e timina) e la gcbox(ripetizione continua costituita da guanina e citosina), sono regioni che determinano come trascrivere e sono chiamate di controllo prossimali dunque non molto vicine dall’inizio del promotore, regolano l’espressione genica. La sequenza codificante è suddivisa in diverse regioni: esoni (trascritti e tradotti), introni (trascritti e poi non tradotti e dunque eliminati) e nella parte iniziale c’è una sequenza non tradotta in 5’(leader), che non viene mai trasformata in una proteina ma che è fondamentale per posizionare e far interagire successivamente l’RNA a livello dei ribosomi. Si ha anche un’altra regione non tradotta nella parte finale in 3’, è una regione importante per la maturazione dell’RNA far sì che siano aggiunte sequenze specifiche. Nella regione del promotore con le regioni di controllo prossimali negli eucarioti si possono avere delle regioni di regolazione molto distanti definite enhancer (rafforzano la trascrizione)o silencer (bloccano la trascrizione), solitamente sono regioni posizionate anche a molta distanza fra di loro, sono zone riconosciute da proteine specifiche e hanno la funzione di intensificare o diminuire il processo di trascrizione di un gene. La trascrizione può funzionare solo ed esclusivamente grazie al lavoro del promotore, anche se è una trascrizione basale, se si stimolano le regioni di regolazione o gli enhancer si può intensificare la trascrizione. Il gene oltre ad essere un tratto di DNA necessario alla trascrizione dell’RNA o di una proteina è anche l’unità che viene trascritta, non in tutte le sue porzioni ma solamente la regione codificante è quella trascritta e dunque copiata, nei procarioti viene trascritta e tradotta tutta la regione codificante negli eucarioti viene invece trascritta tutta ma non tutta tradotta (dipende dalle sottoregioni). Le altre regioni e sotto regioni regolano solamente la trascrizione e non vengono copiate. La trascrizione inizia con l’interazione tra RNA polimerasi e il promotore, a fare ciò ci pensano alcune proteine. Il filamento che si produce è un filamento di RNA, una catena nucleotidica costituita dal ribosio come zucchero e che come basi azotate adenina, guanina, citosina e uracile. L’RNA polimerasi permette l’unione fra questi nucleotidi catalizzando la reazione al carbonio 3 e il gruppo fosfato legato al carbonio 5. L’RNA polimerasi riesce a polimeralizzare da sola a differenza della DNA polimerasi anche se entrambe hanno la necessità di avere un filamento stampo di DNA lavorando tutte e due sulla complementarietà delle basi. Un elemento fondamentale per l’RNA polimerasi è la presenza di ribonucleotidi trifosfato, necessario per fornire energia per il legame fosfodiesterico consentendo alla RNA polimerasi di far unire due nucleotidi. A decidere quale filamento di DNA funge da stampo è la posizione del promotore, la regione tatabox è un’indicatore del filamento stampo. L’inizio della trascrizione è comandato dal promotore che dà all’RNA polimerasi le indicazioni di dove iniziare a polimeralizzare. La seconda fase è la fase di allungamento della trascrizione in cui l’RNA polimerasi copia tutta la regione codificante fino a raggiungere la regione terminatore. Il DNA in questa fase si deve aprire per un tratto breve e in modo temporaneo per produzione dell’RNA. A regolare i geni sono delle proteine che si legano al DNA nelle regioni di regolazione, i geni possono essere accesi da proteine regolatrici oppure ci sono proteine che le bloccano(es: durante la vita fetale si produce un’emoglobina diversa rispetto all’emoglobina che produciamo durante tutta la vita perché è acceso il gene dell’emoglobina fetale che si spegne nel momento del parto con il cambio di habitat accendendo il gene dell’emoglobina da adulti); ovviamente i geni possono anche essere modulati. Un altro problema che hanno le cellule (procarioti e eucarioti allo stesso modo) è quello di coordinare, il segnale che deve inviare una cellula alle altre cellule bersaglio deve essere trasmesso nello stesso momento a tutte nello stesso momento. Se si deve sintetizzare un enzima come il criptofano i batteri sono in grado di compiere questo processo da soli, producendolo se non lo hanno mentre se lo hanno a disposizione nell’ambiente gli basta utilizzarlo e dunque non è necessario produrlo. Nel momento in cui c’è deve essere bloccata la sintesi del criptofano mentre se non c’è si deve accendere la via di biosintesi per produrlo. Nelle cellule procarioti si ha un unico promotore che regola la trascrizione di più proteine tramite una regione centrale chiamata operatore che regola la capacità del promotore di far iniziare la trascrizione, quando il criptofano c’è parte la trascrizione mentre quando manca si deve produrre (a regolare la produzione del criptofano è un meccanismo definito operone). Negli eucarioti invece nel nucleo si possono accendere e spegnere o modulare dei geni, si può regolare la maturazione del trascritto, controllare e bloccare l’esportazione dal nucleo al citoplasma dell’RNA. Una volta che è nel citoplasma si può andare a modificare l’RNA messaggero o addirittura degradarlo, una volta prodotta la proteina la si può trasformare in una proteina non attiva (es: l’insulina è prodotta come proinsulina, una proteina non attiva che viene attivata quando arriva un segnale). Ci sono cellule che controllano talmente tanto i livelli di trascrizione che eliminano il DNA (es: i globuli rossi). Negli eucarioti rispetto ai procarioti ci sono più processi che regolano la trascrizione che può essere dunque finemente regolata mentre nei procarioti è solamente acceso o spento, tutto ciò è grazie all’azione di varie proteine(es: l’albumina è una proteina che nel fegato è trascritta ad alti livelli mentre nel cervello a bassi livelli, il DNA delle cellule è lo stesso e dunque la differenza sta nei fattori di trascrizione specifici intensificando la produzione nel fegato e non intensificandola nel cervello). Mitocondri: Un organello molto importante per il funzionamento della cellula è il mitocondrio, possiede due membrane e al suo interno si produce ATP. La sua doppia membrana è prevalentemente composta da proteine che a differenza delle tipiche membrane degli organelli sono in maggior numeri rispetto ai lipidi. I mitocondri possono aumentare o diminuire di numero a seconda delle funzioni cellulari (es: in una cellula di un organismo allenato ci saranno più mitocondri rispetto ad una cellula di un organismo sedentario perché la persona allenata necessita di più ATP). A regolare il trasporto tra interno e esterno sono le porine(organismi che operano una selezione poco selettiva). Nella matrice dei mitocondri è presente anche il DNA, poiché non tutte le proteine che gli sono necessarie sono prodotte dal nucleo ma alcune deve autoprodursele. Il DNA mitocondriale è un DNA che può subire diverse mutazioni e presentari dei danni non sempre correggibili, il DNA mitocondriale è sempre e solo ereditato della madre. A livello dei mitocondri si sfrutta il trasporto passivo per generare nucleotidi trifosfati in particolare ATP, ciò avviene secondo gradiente di concentrazione di H+. Mitosi: Il ciclo vitale di una cellula è costituito da nascita (si origina per divisione di un’altra cellula), crescita e divisione. Il ciclo vitale di una cellula è definito come l’intervallo di tempo che va da una divisione cellulare ad una successiva, ciò si definisce interfase (costituita tre intervalli chiamati gap: fase G1(fase iniziale di accrescimento, sintesi proteica e produzione di sostanze), fase S (fase di duplicazione della cromatina e dunque del DNA) e fase G2(ci si prepara alla fase M). Per le cellule che si fermano all’interfase G1, l’interfase G1 è definita G0). La fase M è costituita da mitosi e divisione cellulare che non sono assolutamente la stessa cosa, poiché la divisione cellulare è costituita da divisione dei nuclei e divisione del citoplasma mentre la mitosi è solamente la divisione dei nuclei(è costituita da profase, prometafase, metafase, anafase e telofase, la divisione del citoplasma è successiva con la citodieresi o citochinesi), la fase dell’interfase può durare dalle poche ore fino ad anche più settimane(dipende dalla cellula) mentre la fase M in un mammifero dura circa un’ora(mitosi e citochinesi). Le cellule possono essere cellule perenni (cellule estremamente specializzate che perdono la capacità di dividersi non andando in contro alla fase M ma rimanendo nell’interfase (definita G0: precede l’inizio della sintesi). Un esempio sono le cellule muscolari, i neuroni o i globuli rossi), cellule stabili (cellule che normalmente non si dividono ma che se indotte possono riprendere il ciclo cellulare, anche loro normalmente rimangono nell’interfase (definita G0: precede l’inizio della sintesi). Un esempio sono le cellule del fegato) o cellule labili (hanno una vita media molto bassa e vengono continuamente riprodotte per mitosi (es: cellule epiteliali). Dunque ricapitolando, la cellula per dividersi deve prima passare per l’interfase. Si parte dalla fase G1 in cui la cellula si accresce aumentando il numero di organelli presenti al suo interno e dunque sintetizzare lipidi e proteine, si passa poi alla fase S con la duplicazione della cromatina cioè del DNA nel nucleo mentre nel citoplasma si sintetizzano gli istoni, successivamente si passa alla fase G2 in cui la cellula si prepara alla fase M e dunque sintetizza alcune proteine necessarie alla prossima fase. La fase M è la fase di divisione dei nuclei a cui segue la citochinesi con la divisione del citoplasma. Le cellule che si originano dalla mitosi possono continuare il ciclo cellulare, la divisione per meiosi invece porta le cellule ad uscire dal ciclo cellulare. La mitosi è una serie di processi che serve ad organizzare come separare correttamente l’informazione genetica tra due cellule figlie originate dalla cellula madre. L’informazione deve essere uguale per entrambe le cellule figlie e allo stesso tempo uguale alla cellula madre. La mitosi è la divisione nucleare in cui il DNA replicato in ciascun cromosoma viene ripartito in due nuclei. Una cellula ha 46 cromosomi che contengono 46 molecole di DNA, con la fase S le molecole di DNA si duplicano e diventano 92 sempre contenute in 46 cromosomi, queste molecole saranno ripartite equamente con le cellule figlie. La mitosi serve a conservare il numero dei cromosomi facendo sì che si trasmetta tutta l’informazione genetica ad entrambe le cellule figlie. La mitosi serve per accrescere gli organismi, rigenerare i tessuti e per mantenere l’organismo stesso. Per gli organismi unicellulari è una forma di riproduzione asessuata. La mitosi si suddivide in profase, prometafase, metafase, anafase e telofase. Nella profase la cellula ha ricevuto una serie di stimoli per cui deve dividersi la cromatina nel nucleo e dunque si condenza per evitare perdita di materiale e rotture(a condensare sono delle proteine dette condensine che lavorano per condensare ogni singolo cromatide fratello mentre le coesine condensano i due cromatidi fratelli rendendoli un identità unica), nel citoplasma invece grazie ai centrosomi si forma il fuso mitotico(costituito da una struttura cava formata da microtuboli che fungono da citoscheletro, le fibre costituite da proteine operano successivamente la divisione dei cromatidi fratelli dei cromosomi durante il processo della mitosi, le fibre del fuso mitotico si agganciano ai cromosomi nei cinetocori nella regione del centromero(in cui si agganciano i due cromatidi fratelli). Si hanno nel fuso mitotico anche i microtuboli aster e microtuboli polari che hanno la funzione di allungare il fuso), dopo tutto ciò nel processo della prometafase si deve disgregare l’involucro nucleare per permettere al fuso mitotico di andare successivamente ad interagire con i cromosomi (oltre all’involucro nucleare si rompe la lamina nucleare (tramite fosforilazione) in cui l’involucro è appoggiato). Nella metafase le coesine che tengono uniti i cromatidi fratelli devono essere eliminate per permettere di separare i due cromatidi fratelli che a questo punto sono pronti a diventare cromosomi figli, a decidere la separazione è sempre il fuso mitotico. Nell’anafase avviene il processo quando si separano completamente i cromatidi fratelli formando i cromosomi grazie alle fibre del cinetocore che si accorciano(anafase A), in un secondo momento si allungano le fibre del fuso e dunque lo stesso fuso mitotico cambia la sua struttura, ciò avviene perché così si allontanano le zone in cui si formeranno i due nuclei (anafase B), l’anello contrattile che dividerà la cellula in modo perpendicolare al fuso mitotico dunque avrà maggiore margine di manovra nel separare i due nuclei nel momento in cui si divide il citoplasma. Nell’ultimo processo della mitosi ossia la telofase si deve ricreare l’involucro nucleare, e dunque compiere il processo inverso che è avvenuto nella prometafase quindi defosforilare la lamina nucleare per riformarla riformando anche la membrana nucleare che si riforma reinserendo tutti i cromosomi che gli spettano. Divisi e riformati i due nuclei si deve infine separare il citoplasma, si forma dunque un anello contrattile in una zona perpendicolare all’equatore del fuso mitotico, a dividere le due cellule figlie sono una serie di filamenti di actina dividendo più o meno equamente gli organelli del citoplasma tra le due cellule. La cellula riesce a stabilire quando è il momento più corretto per progredire o non progredire nel ciclo cellulare, la regolazione del ciclo cellulare è molto attenta ed è affidata al sistema di controllo e permette ad una cellula di riprodursi solo quando è necessario che lo faccia (i tumori sono alterazioni di questo controllo del ciclo cellulare, cioè si riproducono cellule che non si devono riprodurre). Il sistema di controllo permette alla mitosi di iniziare il suo processo e di terminarlo e se qualcosa non quadra perfettamente cerca di risolvere posticipando il processo (es: il sistema di controllo deve riconoscere se tutti i cromosomi sono sul fuso mitotico o quando si ricostruisce l’involucro nucleare si assicura prima che il materiale genetico (ossia i cromosomi) sia tutto all’interno del nucleo). Inoltre non permette alle cellule provenienti da mitosi di riprodursi subito poiché esse devono aspettare a ricrescere in modo sufficiente prima di riprodursi di nuovo perchè dopo essersi formate sono la metà della cellula madre e non hanno un numero di organelli nel citoplasma tale da permettergli un’ulteriore mitosi e dunque una nuova divisione. Oltre al fatto che deve valutare prima se l’ambiente è sì o no favorevole per la riproduzione (dipende dagli stimoli all’esterno della cellula, questi stimoli sono presenti quando la cellula deve duplicarsi quando è importante farlo). Inoltre prima di duplicare la cromatina la cellula si deve assicurare che il DNA non abbia subito dei danni o alterazioni, se così è la cellula non si riproduce finchè non risolve il problema continuando il suo operato senza generare cellule figlie mentre se il DNA ha subito troppe alterazioni la cellula si suicida degradandosi. Quindi i punti di controllo si hanno nel punto G1 per controllare la crescita della cellula e l’ambiente, nel punto G2 per controllare la replicazione del DNA, se l’ambiente è favorevole e se la cellula è abbastanza grande, l’ultimo punto di controllo è nella fase M per controllare i cromosomi nel processo di duplicazione della cellula. Gli errori del processo si possono notare solo nei punti di controllo e solo lì si può fermare la duplicazione. Il sistema di controllo è un sistema controllo complesso che regola il ciclo cellulare attraverso la fosforilazione delle proteine chiave che regolano la duplicazione del DNA, la mitosi e la citochinesi. Queste proteine sono le chinasi che fosforilando attivano altre proteine, sono chinasi particolari però perché sono dipendenti dalla proteina ciclina, per questo sono dette chinasi ciclina dipendenti (CdK). Ha indurre la progressione in fase M (la mitosi) è invece MPF, un fattore che si attiva soltanto quando si attua una fosfatasi dopo che un’altra chinasi attivatrice va a fosforilare la CdK legata alla ciclina. Nella fase G1 CdK e ciclina inducono alla fase S della duplicazione del DNA mentre nella fase G2 la CdK mitotica e la ciclina mitotica inducono grazie al fattore MPF la mitosi, alla fine del processo nella fase M la ciclina viene degradata. Quando si ha un danno alla cellula è un problema perché può generare tumori come nel caso della proteina p53(90% dei tumori noti ha l’alterazione di questa proteina), p53 è definita il guardiano del genoma perché si preoccupa di verificare che tutto il nostro genoma sia funzionante e se non è funzionante mette in atto tutto un sistema di controllo. P53 quando una cellula subisce un’alterazione si attiva e prima di mandare la cellula verso il suicidio cellulare (definito apoptosi, processo mediato da enzimi detti caspasi. Il processo avviene quando la cellula non riceve più segnali dall’esterno)gli dà la chance di correggere l’errore che presenta, attivando il sistema di riparazione del DNA e il blocco della progressione dunque non duplica il suo DNA alterato, p53 dato che regola si lega alle regioni di regolazione del DNA e fa da stimolo per trascrivere diverse proteine, una di queste è p21 che blocca il complesso ciclina CdK nella fase G1 mettendolo in pausa(lo fa in una zona G0)fino a che tutto il DNA non è riparato, se il DNA non viene riparato perché il danno è troppo grande la cellula va incontro al suicidio cellulare. A stimolare la trascrizione è il fattore di crescita che stimola il recettore e tutte le chinasi che abbiamo visto, senza nessuno stimolo la cellula è a riposo e Ogni specie ha un suo numero specifico di cromosomi ed è fondamentale che i cromosomi siano quelli prestabiliti dalla genetica di ogni specie. L’uomo ha 46 cromosomi, lo scimpanzè 48, un topo 40 e per tutte le specie questo numero è differente. Nell’uomo possono nascere anche individui con più cromosomi dei anche se di solito gli individui con un numero diverso di cromosomi dai 46 standard muoiono durante il processo fetale, i ragazzi con la sindrome di Down ne hanno 47(un cromosoma in più nella coppia 21), questi individui hanno in compenso un’aspettativa di vita che non supera i 50 anni. Oltre alla trisomia 21 consentono la nascita anche la trisomia 13 e la trisomia 18 ma i bambini che nascono non superano pochi mesi di vita. L’equilibrio interno del nostro genoma è importantissimo, necessario per la nostra vita, se non c’è si genera una patologia. Noi abbiamo 23 coppie di cromosomi, uno dalla madre e uno dal padre, quando si ha una coppia di omologhi significa avere cromosomi che nella loro sequenza hanno gli stessi geni e dunque controllano lo stesso carattere, questi geni possono esistere in diverse varianti alleliche (un allele in genetica indica le più forme dello stesso gene che si trova nella stessa posizione su cromosomi omologhi, il colore degli occhi ad esempio ha più varianti alleliche, ognuno di noi ha solo 2 delle possibili varianti alleliche). Le varianti alleliche occupano lo stesso locus (luogo del cromosoma). Ciò che è scritto nei nostri geni è il nostro genotipo che è l’insieme delle nostre informazioni genetiche, il fenotipo è la manifestazione del genotipo che non sempre rispecchia il genotipo (es: quando si ha una variante allelica occhi neri e un’altra occhi azzurri, il genotipo rispecchia ciò mentre il fenotipo manifesta solo la caratteristica dominante che in questo caso sono gli occhi neri. L’occhio azzurro è recessivo e si esprime solo se la variante allelica dei due cromosomi omologhi presentano gli occhi azzurri). Il genotipo può essere omozigote(stesse varianti alleliche) o eterozigote(differenti varianti alleliche), a esprimersi nel fenotipo sono la variante allelica presente nel genotipo quando è omozigote mentre quando è eterozigote si esprime solo la variante allelica dominante nascondendo la recessiva(Il genotipo è sempre presentato da due lettere cioè il gene paterno e quello materno, per la variante allelica dominante si utilizza la lettere maiuscola per la variante allelica recessiva quella minuscola. Può essere omozigote dominante, omozigote recessivo o eterozigote in cui a presentarsi nel fenotipo è sempre il carattere dominante. Il fenotipo invece si rappresenta solo con una lettera poiché si indica solo il gene che compare). Le diverse varianti alleliche si formano attraverso mutazioni genetiche di specifici geni del DNA, se quella mutazione è compatibile alla sopravvivenza della specie si afferma e viene trasmessa anche alle generazioni successive. Una variante allelica è tale quando è presente in almeno l’1% della popolazione globale, sotto l’1% della popolazione sono mutazioni genetiche rare che non rientrano nelle varianti alleliche. Le mutazioni sono cambiamenti permanenti nel patrimonio genetico, sono eventi rari e casuali (nell’uomo un gamete su un milione ha in sè una mutazione). Le mutazioni possono risultare neutre, svantaggiose (es: nell’emoglobina una mutazione svantaggiosa presente nell’uomo è l’anemia falciforme in cui i globuli rossi sono a forma di falce invece che a disco e generano una serie di problemi. Si è affermata questa mutazione in alcune zone in cui era presente la malaria perché i soggetti che avevano questa mutazione riuscivano a resistere meglio al proliferare della malattia) o vantaggiose in certi casi (es: le farfalle bianche inglesi dopo l’avvento della rivoluzione industriale sono scomparse quasi del tutto lasciando il loro posto alle farfalle nere in cui era avvenuta una mutazione genetica. Le farfalle nere hanno proliferato maggiormente è preso il posto delle farfalle bianche perchè avevano una maggiore probabilità di sopravvivenza per via del loro colore.). Le mutazioni si distinguono anche in germinali(nelle cellule adibite a produrre gameti)e somatiche(nelle cellule non adibite a produrre i gameti), le mutazioni germinali influiscono anche sulla prole e le generazioni future(il tessuto germinale può anche essere parzialmente mutato e dunque produrre cellule mutate e cellule sane e dunque figli in cui è presente la mutazione e figli perfettamente sani), mentre le mutazioni somatiche sono circoscritte all’individuo(si trasmettono per mitosi nelle cellule che sono mutate) e non coinvolgono la prole e le generazione successive. Le mutazioni possono riguardare parti più piccole o più ampie del DNA, possono essere mutazioni puntiformi quando cambia un nucleotide nel filamento del DNA (es: anemia falciforme), mutazioni geniche quando a cambiare sono più nucleotidi all’interno di un singolo gene o mutazioni cromosomiche in cui a mutarsi è una parte del cromosoma stesso e dunque più geni sono coinvolti. Il fenotipo è determinato non solo dall’informazione genetica del genotipo ma anche dall’azione di altri geni e dalle influenze ambientali (es: il colore della pelle d’estate cambia in parte a causa dell’abbronzatura dovuta ai raggi solari che ci colpiscono. Dunque il fenotipo può cambiare in condizioni particolari anche se il genotipo rimane lo stesso. Questo dimostra che le condizioni ambientali sono importanti per la caratterizzazione di un individuo). Gli esperimenti di Mendel: Mendel, era un frate Ceco, precisamente di Brno che nella sua vita ha provato diversi esperimenti che lo hanno portato a conclusioni mai avanzate da nessuno in precedenza, sono esperimenti che si possono comprendere esattamente con la conoscenza della meiosi. Mendel osservò che due alleli di ogni carattere si distribuiscono in due gameti diversi e l’assortimento indipendente di due cromosomi omologhi, ogni coppia di alleli segrega nei gameti indipendentemente dalle altre coppie. La prima legge di Mendel è la legge della dominanza: incrociando un seme di colore giallo con un seme di colore verde si ottengono tutti semi di colore giallo, invece incrociando un seme verde liscio con un seme verde rugoso si ottenevano solamente semi verdi lisci, dunque quando si incrociano un omozigote dominante con un omozigote recessivo si ottiene un individuo eterozigote in cui prevale sempre l’omozigote dominante(un carattere si può stabilire dominante solo nella condizione in cui è eterozigote e quindi presenta due varianti alleliche differenti). La seconda legge di Mendel dice che nella seconda generazione ricompare il carattere recessivo con un rapporto 3 ad 1, dunque rincrociando due soggetti eterozigoti tramite meiosi si ottengono tre soggetti in cui compare il carattere dominante (due eterozigoti e un omozigote dominante) e uno in cui compare il carattere recessivo (omozigote recessivo). Quindi per quanto riguarda il colore della seconda generazione su quattro comparirà verde e tre compariranno gialli mentre per quanto riguarda il manto dei semi un seme sarà rugoso e tre lisci. Queste operazioni si individuano attraverso il quadrato di Punnett. Per capire se un seme era omozigote dominante o eterozigote fece più test incrociandoli con semi omozigoti recessivi, questo esperimento che fece viene definito test di controllo o cross test e gli serviva per capire che se il seme che si presentava con il fenotipo dominante era omozigote dominante o eterozigote. La prima generazione prodotta tra i semi è definita F1, la seconda F2. Successivamente Mendel decise di osservare più caratteri contemporaneamente quindi considerò il colore del seme giallo e verde insieme al tipo di seme liscio o rugoso. Fece incrociare un seme giallo liscio con un seme verde rugoso, nella generazione F1 trovò tutti semi gialli lisci ossia i caratteri dominanti, a questo punto incrociò la generazione F1 tra loro. Dalla seconda generazione vennero fuori 9 semi gialli e lisci, 3 gialli e rugosi, 3 verdi e lisci mentre solamente 1 era verde e rugoso. Questo fece capire a Mendel che colore e tipo del seme sono due caratteri che non sono correlati fra di loro e quindi indipendenti l’uno dall’altro (terza legge). Eccezioni alle leggi di Mendel: Più avanti si scoprirono alcune eccezioni, facendo incrociare un fiore rosso e un fiore bianco, entrambi omozigoti, veniva fuori nella generazione F1 sempre un fiore eterozigote di color rosa mentre nella generazione F2 incrociando due eterozigoti rosa venivano fuori 2 fiori eterozigoti rosa, un fiore omozigote rosso e un fiore omozigote bianco. In questo caso l’eterozigote presenta un colore intermedio perché nessun colore tra i due è dominante dunque si genera un fiore rosa (dominanza incompleta o codiminanza, nessun gene è dominante sull’altro). Un’altra eccezione venne fuori quando fecero incrociare un moscerino grigio con le ali lunghe eterozigote (caratteri dominanti) con un moscerino nero con le ali corte omozigote recessivo (carattere recessivo), ci si aspettava che venissero fuori moscerini per il 25% neri con ali lunghe, per il 25% neri con ali corte, per il 25% grigi con le ali lunghe e per il restante 25% grigi con le ali corte. L’esperimento non generò l’effetto sperato perché prevalsero di gran lunga in percentuale soggetti con grigi con le ali lunghe e neri con le ali corti simili dunque al padre e la madre dei moscerini. Questo perché il carattere colore del corpo e dimensione delle ali erano sulla stessa coppia di cromosomi omologhi, l’incrocio tra i caratteri avveniva solo quando si compiva il processo di crossing over, e quindi moscerini con corpo grigio e ali corte e moscerini con corpo nero e ali lunghe venivano fuori solo quando avveniva il crossing over (avviene qualche volta, avviene meno volte rispetto a quando non avviene). Inoltre più in avanti si capì che le leggi di Mendel valevano soltanto per i cromosomi omologhi, i cromosomi autosomici quindi nell’uomo dall’1 al 22, non nel caso dei cromosomi sessuali perché la femmina ha due cromosomi omologhi XX mentre il maschio è XY, in questo caso i geni non sono omologhi e quindi si comportano in maniera differente. Nel caso della femmina può valere il dominante e il recessivo (es: per il daltonismo se si ha un gene alterato nel maschio il maschio è daltonico mentre la femmina può essere eterozigote e quindi anche portatrice sana, che genererà insieme ad un padre daltonico per il 25% femmine portatrici sane, per il 25% femmine daltoniche, per il 25% maschi sani e per il 25% maschi daltonici). Un’altra eccezione è sui gatti, un gatto tricolore è sempre femmina perché nel cromosoma X è presente la variante allelica del doppio pigmento nero e arancione, le femmine possono esprimere entrambi i colori contemporaneamente perché hanno due XX anziché una X come nel maschio. Ancora un’altra eccezione è nei Labrador, il più frequente è il Labrador con il manto giallo anche se la variante allelica per questo colore non esiste ma esistono soltanto varianti alleliche color nero e color marrone. Ciò dipende da due aspetti: una proteina dà il colore del pelo nero o marrone mentre un’altra proteina lo fissa nel pelo del cane, tutti i Labrador che sono di colore giallo hanno la proteina che fissa il colore che non lo fissa, un soggetto dunque può essere omozigote dominante per il nero oppure omozigote recessivo per il marrone ma presentarsi sempre di color giallo. Il fenotipo del Labrador dunque non dipende solo dal suo genotipo ma anche da un secondo gene cioè la proteina che fissa il colore del cane, questo concetto si chiama epistasi(quando un gene può modificare l’azione di un altro gene, il gene che prevale e dunque in questo caso nasconde il colore del Labrador è detto epistatico mentre il gene che subisce l’effetto del gene epistatico è detto ipostatico) e avviene anche per i gruppi sanguigni, è un fenomeno piuttosto complesso ma anche piuttosto presente. Per una specie di conigli di color bianco con zampe, orecchie e naso neri contano nel fenotipo i fattori ambientali poiché il colore varia a seconda della temperatura, se il coniglio è tenuto ad una temperatura di 30 gradi diventa completamente bianco anche se il genotipo è sempre lo stesso, ciò avviene per regolare la sua temperatura corporea all’ambiente circostante, le proteine che manifestano il colore dunque a temperature sopra i 30 gradi non lo manifestano e quindi il coniglio appare completamente bianco, invece se la temperatura scende al di sotto dei 25 gradi il coniglio inizia a presentare sul corpo macchie nere. Negli uomini il colore degli occhi, il colore della pelle o anche l’altezza sono sotto il controllo di più geni e il risultato finale è la sommatoria di quei caratteri, la distribuzione di questi caratteri ha un ampio spettro andando per il colore della pelle dal bianco pallido fino al nero scuro con tutte le colorazioni intermedie(costruendo un grafico la curva che si forma è detta gaussiana che tocca i valori minimi per la pelle pallida e la pelle scurissima e tocca il valore massimo ad un colore della pelle intermedio. Il grafico è una parabola con vertice rivolto verso l’alto). Dunque per determinare il fenotipo in questi casi non si possono seguire le leggi di Mendel perché ogni singolo gene subisce le regole mendeliane ma il fenotipo è determinato dalla combinazione di tutti i geni che concorrono a quel carattere. Ovviamente gli alleli che controllano un singolo carattere possono essere anche più di 2 ma un individuo ha solamente una coppia di alleli di quelli che controllano quello specifico carattere (un allele per ogni cromosoma omologo).