Biologia Applicata- lezioni 1-10, Appunti di Biologia Applicata

Scarica Biologia Applicata- lezioni 1-10 e più Appunti in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! Biologia applicata Gli atomi sono le unità fondamentali della materia formati da particelle subatomiche: - elettroni (Nuvola elettronica) - protoni e neutroni (Nucleo atomico) In ogni atomo il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. In natura esistono vari tipi di atomi, definiti ELEMENTI. Gli organismi viventi sono costituiti principalmente da: O, C, H, N, Ca, P, K, S, Na, Mg, Cl, Fe. Tali elementi formano legami per avere una configurazione elettronica più stabile. L'elettronegatività è la capacità che ha un atomo di attrarre a sé gli elettroni. È importante per definire la tipologia del legame chimico. I legami chimici sono le forze attrattive che tengono insieme gli atomi di una molecola. Tipologie di legami Legami covalenti: In 1 molecola di acqua, 2 atomi di H sono legati in modo covalente ad un atomo di O. Coinvolge 2 elettroni messi in compartecipazione ed è molto forte come legame. Le molecole sono atomi uniti tra loro mediante legami covalenti. Se gli atomi di una molecola hanno elettronegatività uguale, gli elettroni sono condivisi in maniera equivalente e il legame covalente viene detto APOLARE (H2). Se gli atomi di una molecola hanno elettronegatività differente, gli elettroni NON sono condivisi in maniera equivalente e il legame covalente viene detto POLARE (H2O). Legame ionico: se i 2 atomi hanno una grande differenza di elettronegatività, il più elettronegativo può strappare completamente l'elettrone più debole. Si formano così 2 cariche elettriche di segno opposto. Quando un atomo accetta o perde uno o più elettroni, diventa uno ione. CATIONI: + ANIONI: - Un legame ionico si viene a formare come conseguenza dell'attrazione tra la carica + di un catione e la carica - di un anione. Se la differenza di elettronegatività supera una certa soglia, il legame NON è più covalente ma ionico. Legami a idrogeno: si forma tra un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo fortemente elettronegativo (detto donatore) e un secondo atomo anch'esso elettronegativo (detto accettore). Interazioni di Van der Waals: si instaurano tra le molecole apolari, elettricamente neutre. Agiscono su distanze molto brevi e sono molto deboli. La classificazione dei composti chimici Le molecole organiche Tutti i composti chimici che costituiscono la materia vivente sono costituiti da carbonio combinato con altri atomi. Il carbonio può formare legami covalenti forti. Questi legami possono essere: - semplici - doppi - tripli Le caratteristiche di una molecola organico possono essere cambiate con la sostituzione di un H con gruppi funzionali (responsabili del comportamento chimico della molecola). Lezione 1,2 Gruppo funzionale e descrizione Formula di struttura Classe di componenti caratterizzati dal gruppo Ossidrilico Ron Alcoli Polare perché l'ossigeno elettronegativo attrae gli ui n elettroni del legame covalente H_c_c HH Esempio, etanolo Carbonilico 0 Aldeidi Aldeidi: Il o il earbonio del gruppo carbonilico è legato con almeno R--G-H Il un atomo di Hi polare perché l'ossigeno elettronegativo H3eT-H attrae gli elettroni del legame covalente Esempio, formaldeide Chetoni: 6 Chetoni Ilcarbonio del gruppo carbonilico è legato ad altri due Îl H OH atomi di carbonio; polare perché l'ossigeno elettronega» R-&G A [MI tivo attrae gli elettroni del legame covalente H-€-E—CT—H Ì H H Ecemnia arstone Carbossilico mM Acidi carbossi lic Debolmente acido; può rilasciare uno ione H' {acidi organici) R lonizzato R Esempio, aminvacido Amminico Ammine Debalmente basico; può accettare uno ione H' R ge o Il lonizzato aC con H Esempio, amincacido Fosfato Fosfati organici Debolmente acido; possono essere rilasciati uno o due ioni H* R R_- R Non ionizzato lonizzato Esempio, estere fosfato (come nell'ATP) Sulfidrilico RTSH Tioli Aluta a stabilizzare la struttura interna delle proteine A H ? | E—C_0H Lezione 1,2 H- % Suna Esempio, cisteina I nucleotidi hanno altre funzioni cellulari vitali: Trasduzione del segnale (AMPc)1. L'ATP, attraverso il processo di adenilato ciclasi, diventa AMP ciclico Energia chimica (ATP-GTP)2. ATP: nucleotide formato da 3 gruppi fosfato e dà energia alla cellula GTP: guanosina-trifosfato Il legame tra 2 nucleotidi è un legame fosfodiesterico, in cui NON sono presenti basi azotate e riguarda il legame tra un gruppo fosfato e un gruppo ossidrilico dello zucchero. DNA vs RNA Forma: doppia elica Forma: 1 catena polinucleotidica Basi azotate; T A C G Basi azotate: U A C G Massa molecolare superiore Massa molecolare inferiore 4 tipologie: - mRNA (messaggero) - tRNA (transfer; nel citoplasma della cellula) - rRNA (ribosomiale; componente della struttura ribosomiale) - snRNA (small nuclear; modifiche post-trascrizionali dell'mRNA nelle cellule eucariote) Zucchero: 2-deossiribosio Zucchero: ribosio I CARBOIDRATI I carboidrati contengono C, H e O in un rapporto di circa 1 atomo di C per due di H e uno di O (CH2O)n. Glucosio: C6H12O6 Saccarosio: C12H22O11 In alternativa sono chiamati zuccheri o saccaridi (dal latino saccharum = zucchero). Sono idrofili (solubili in acqua), perché polari e possiedono numerosi gruppi ossidrilici e un gruppo carbonilico. I carboidrati sono sostanze naturali molto importanti, perché: - sono le sostanze naturali più abbondanti in natura. Rivestono infatti un importante ruolo strutturale negli esseri viventi; - sono la principale fonte di nutrimento (e quindi di energia) per il mondo animale; - sono componenti essenziali degli acidi nucleici; - rappresentano i sistemi molecolari che consentono il riconoscimento cellulare (sono quindi implicati nelle reazioni immunitarie, nei fenomeni di rigetto, nelle infezioni virali, etc.). Si possono legare a: - lipidi -> glicolipidi - proteine -> glicoproteine (superficie esterna della membrana plasmatica) Agiscono come: recettori (riconoscono i segnali extracellulari e li trasforma in segnali intracellulari), molecole di riconoscimento, molecole di adesione. Lezione 1,2 Classificazione in base alla loro grandezza molecolare Molti carboidrati presenti in natura sono in realtà polimeri di unità saccaridiche semplici. Una classificazione generale si può fare sulla base delle "unità" saccaridiche, e cioè: - Monosaccaridi -> zuccheri semplici con più gruppi. In base al numero di atomi di carbonio (3,4,5,6), un monosaccaride è un trioso, tetroso, pentoso e un esoso. - Disaccaridi -> 2 unità monossaccaridiche legate covalentemente (legame covalente). - Oligosaccaridi -> alcune unità monosaccaridiche legate covalentemente (da 2 a 10 monosaccaridi) - Polisaccaridi -> polimeri che consistono in catena di unità monosaccaridiche o disaccaridiche. Il legame presente nei carboidrati è il legame glicosidico, che tiene uniti i monosaccaridi in carboidrati più complessi (togliendo una molecole di H2O). Monosaccaridi I monosaccaridi sono gli zuccheri più semplici; contengono generalmente da 3 a 7 atomi di C. Tutti gli atomi di C legano un OH, tranne uno il quale è legato ad un O mediante un doppio legame. Sono identificati e quindi denominati sulla base di 2 caratteristiche strutturali: n° atomi C Tipo ESEMPI Attività 3 Triosi gliceraldeide Intermedi nelle reazioni che producono energia 4 Tetrosi eritrosio 5 Pentosi Ribosio, desossiribosio Componenti degli acidi nucleici 6 Esosi Glucosio, fruttosio, galattosio, mannosio Sostanze nutritive, produzione fotosintesi 7 Eptosi sedoeptulosio Int. fotosintesi Natura dei gruppi funzionali ALDOSI GALATTOSIO CHETOSI FRUTTOSIO In soluzione le molecole di glucosio e altri pentosi ed esosi NON sono catene lineari di atomi di C ma piuttosto anelli. Disaccaridi 2 molecole di monosaccaridi legate con legame glicosidico tra il C1 di una molecola e il C4 della molecola adiacente. Maltosio: disaccaride (2 glucosio) Saccarosio: disaccaride (glucosio + fruttosio) Lezione 1,2 Polisaccaridi I polisaccaridi sono una macromolecola costituita da unità ripetute di uno zucchero semplice (es. glucosio). I polisaccaridi possono essere a catena lineare o ramificata. Hanno diverse funzioni: - energia (amido, glicogeno); - strutture stabili (cellulosa). Amido È il carboidrato di riserva dei vegetali. È un polimero di alfa-glucosio (monomeri uniti da legame alfa 1-4 (TUTTI gli organismi hanno enzimi (amilasi) che scindono questo legame). Può essere presente in 2 forme: - amilosio (forma più semplice, NON ramificata); - amilopectina (forma più comune, circa 1000 unità, catena ramificata). È presente un accumulo di amido nelle piante sotto forma di granuli, in organuli specializzati chiamati amiloplasti. Glicogeno (amido animale) È strutturalmente simile all'amido vegetale (glucosio, legame alfa 1-4, ramificato e idrosolubile). È la riserva di energia animale (fegato, cellule muscolari). Cellulosa È un carboidrato strutturale vegetale. È un polisaccaride insolubile di beta-glucosio (legami beta 1-4 glicosidici). NON sono presenti nell'uomo enzimi che idrolizzano il legame, mentre sono presenti nell'intestino di animali erbivori dei batteri in grado di digerire la cellulosa. I polimeri sono: - degradati nei monomeri che li compongono mediante IDROLISI; - sintetizzati (POLIMERIZZAZIONE: unione (legami covalenti) di un elevato numero di monomeri mediante CONDENSAZIONE). Aggiunta H20 Eliminata H2O I lipidi I lipidi sono un gruppo eterogeneo di composti definiti NON dalla loro struttura, ma dal fatto che sono solubili in solventi apolari (es. etere, cloroformio…). I lipidi più importanti a livello biologico sono: trigliceridi, fosfolipidi, steroidi e carotenoidi. Le funzioni dei lipidi sono: - strutturali (membrana); - energetica; - ormonale. Trigliceridi Sono i più abbondanti nel nostro organismo e la nostra riserva di energia, perché quando vengono metabolizzati danno il doppio di energia/grammo rispetto ai carboidrati. Rappresentano una combinazione di acidi grassi e glicerolo. I carboidrati e le proteine possono essere trasformati enzimaticamente in grassi ed immagazzinati in adipociti. Struttura di base: molecola di glicerolo 3 atomi di carbonio 3 catene di acidi grassiLunga catena idrocarburica NON ramificata con all'estremità un gruppo carbossilico Lezione 1,2 Cellula animale Il nucleo È il centro di controllo della cellula. Quasi tutte le cellule hanno un nucleo. L'involucro nucleare è costituito da 2 membrane (esterna ed interna) che si fondono formando i porti nucleari (rivestiti da proteine). Contiene il DNA, costituente dei geni, che viene trascritto in mRNA che va nel citoplasma dove viene tradotto in proteine. Il DNA con le proteine istoniche forma la cromatina. La cromatica durante la divisione cellulare si condensa in cromosomi, in numero caratteristico a seconda della specie. Nel nucleo si trovano uno o più nucleoli (NON circondati da membrane). Il nucleolo contiene un organizzatore nucleolare, geni preposti alla sintesi degli RNA ribosomali. Le proteine ribosomali sono sintetizzati a livello citoplasmatico, vengono trasportate nel nucleolo, assemblate in subunità ribosomali che escono dai pori nucleari. I ribosomi I ribosomi sono deputati alla sintesi proteica. Sono costituiti da RNA e proteine. Sono liberi nel citosol o associati alle membrane (RE rugoso). Hanno gli enzimi per formare il legame peptidico. Ogni ribosoma ha 2 componenti: - sub-unità maggiore - sub-unità minore Reticolo endoplasmatico È il labirinto di membrane interne che circondano il nucleo. Hanno una struttura a sacche appiattite che danno origine a compartimenti connessi tra di loro. Le 2 membrane del RE delimitano uno spazio (LUME) che è in comunicazione con lo spazio delimitato dalle membrane nucleari interna ed esterna. Sulle membrane del RE si trovano sistemi enzimatici che intervengono in reazioni "a catena". Gli enzimi delle due superfici della membrana sono diversi. Altri enzimi sono localizzati nel lume. Si distinguono in RE liscio e RE rugoso con funzioni diverse, ma fisicamente interconnessi. Nella fascia citosolica del RE rugoso si trovano i ribosomi, che mancano nella faccia luminale. Reticolo endoplasmatico rugoso: svolge un ruolo fondamentale nella sintesi e assemblaggio delle proteine. Il ribosoma è attaccato alla membrana del RE rugoso; all'interno del ribosoma si forma un tunnel che lo collega ad un poro del RE dove vengono sommate ai lipidi e riarrangiate in strutture tridimensionali dagli Chaperone molecolari (enzimi). Tramite le vescicole di trasporto le proteine migrano verso gli altri compartimenti. Reticolo endoplasmatico liscio: è privo di ribosomi. È la sede del metabolismo di fosfolipidi, steroidi ed acidi grassi. È molto abbondante nelle cellule epatiche deputate alla sintesi di steroidi e lipidi. Gli enzimi del RE liscio degradano sostanze tossiche trasformandoli in composti idrosolubili atti all'escrezione. Lezione 3 L'apparato di Golgi Transitando nell'apparato di Golgi, proteine e lipidi subiscono degli interventi e trasformazioni sostanziali. Le sostanze vengono quindi impacchettate in vescicole di trasporto e dirette verso la membrana plasmatica, dove avrà luogo la secrezione (o esocitosi). Scoperto da Camillo Golgi nel 1898. è costituito da pile di sacche membranose (cisterne) che presentano un lume interno. In questo organulo avvengono la modificazione chimica e lo smistamento delle proteine. Ciascuna pila di vescicole di Golgi possiede 3 aree: Una superficie CIS, vicino al nucleo che riceve i materiali contenuti nelle vescicole di trasporto provenienti dal RE; 1. Una regione mediale;2. Una superficie TRANS vicina alla membrana plasmatica impacchetta le molecole in vescicole che sono trasportate fuori dal Golgi. 3. Il complesso del Golgi processa, seleziona e modifica le proteine. Vengono modificati i carboidrati delle glicoproteine aggiunti nel RE. Nella regione TRANS vengono prodotte le vescicole secretoria che: Possono fondersi con la membrana plasmatica (secrezione delle glicoproteine);1. Possono immagazzinare le glicoproteine.2. Lisosomi e vacuoli Lisosomi: piccole vescicole contenenti circa 40 enzimi attivi con pH 5 (acido). Sono disperse nel citoplasma nella maggior parte delle cellule animali. Separano gli enzimi digestivi dal resto della cellula. Nell'apparato di Golgi vengono formati i lisosomi primari i quali, fondendosi con la cellula, formano i lisosomi secondari, formati da enzimi e molecole complesse. Vacuolo: sacco membranoso presente nelle cellule vegetali. Svolgono un ruolo importante nella crescita e sviluppo delle pianti. La membrana del vacuolo è definita tonoplasto. Nei protozoi sono presenti vacuoli nutritivi che si fondono con i lisosomi, in modo tale che il cibo venga digerito. Alcuni protozoi, possiedono vacuoli contrattili che permettono alla cellula di eliminare l'acqua in eccesso. MitocondriSono la sede della respirazione aerobica. Sono circondati da una doppia membrana che dà origine a 2 distinti compartimenti: - spazio intermembrana -> tra la membrana interna ed esterna; - matrice -> compartimento circondato dalla membrana interna e contiene gli enzimi che degradano le molecole alimentari. La membrana mitocondriale esterna è liscia e permette il passaggio di numerose molecole di piccole dimensioni. La membrana mitocondriale interna è selettivamente permeabile. È caratterizzata da creste mitocondriali. Il citoscheletro Il citoscheletro, che significa "scheletro della cellula", ne mantiene la forma, contribuisce alla formazione delle giunzioni tra cellule e permette il movimento sia della cellula stessa sia dei suoi organuli. Il citoscheletro degli eucarioti è costituito da 3 tipi di elementi: - filamenti di actina; - filamenti intermedi; - microtubuli. Lezione 3 Microtubuli: sono costituiti da una proteina globulare chiamata tubulina. I microtubuli agiscono come rotaie lungo le quali si spostano i vari organuli cellulari. Lo scorrimento è reso possibile dalla presenza di molecole motrici associate ai microtubuli. Queste molecole sono proteine che si suddividono in: - MAP motrici, come chinesina e dineina; - MAP non motrici. I microtubuli favoriscono la mitosi. Presentano un'estremità + e un'estremità - e si allungano e accorciano andando a formare i dimeri. Il trasporto può essere: - anterogrado -> la chinesina (che lega la vescicola ai microtubuli) trasporta la vescicola dal lato - al lato +. Consuma ATP; - retrogrado -> la dineina trasporta la vesciola dal lato + al lato -. L'energia viene presa dall'idrolisi dell'ATP. Filamenti di actina (microfilamenti): questi filamenti sono disposti in fasci o a reticella e svolgono un ruolo strutturale di fondamentale importanza. Si tratti di filamenti flessibili e relativamente resistenti, tanto da consentire alle cellule di spostarsi con movimento ameboide o strisciando. Filamenti intermedi: simili ad una corda ritorta, i filamenti intermedi sono costituiti da diversi polipeptidi fibrosi e svolgono una funzione strutturale, sostenendo l'involucro nucleare e la membrana plasmatica. I filamenti intermedi hanno un diametro medio di 10 nanometri. Ciglia e flagelli Servono per il movimento cellulare. Sono frequenti negli organismi unicellulari e si trovano anche su spermatozoi e sulle cellule endoteliali (es. bronchiali). Ciglia e flagelli sono ancorati alla cellula tramite un corpo basale con strutture 9x3 (9 serie di 3 microtubuli disposti in cerchio). Lezione 3 Giunzione intercellulare: le proteine di adesione cellulare legano le membrane di cellule adiacenti. Attività enzimatica: molti enzimi legati alla membrana catalizzano reazioni che avvengono all'interno o sulla superficie della membrana. Trasduzione del segnale: alcuni recettori legano molecole segnale, come gli ormoni, e trasmettono l'informazione all'interno della cellula. Riconoscimento cellulare: alcune glicoproteine fungono da marcatori di identificazione. Per esempio, le cellule batteriche posseggono proteine di superficie, o antigeni, che vengono riconosciute come estranee dalle cellule umane. Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili. Il passaggio è consentito ad acqua, a gas e piccole molecole liposolubili (privi di cariche). Specifiche proteine di trasporto assicurano il passaggio di ioni e molecole idrosolubili (elettricamente cariche). L'osmosi L'osmosi è il passaggio di acqua da una zona in cui le molecole di acqua sono più concentrate ad una dove lo sono meno. Le molecole di acqua passano attraverso la membrana dalla regione a minore concentrazione di soluti (soluzione ipotonica) ad una in cui i soluti sono più concentrati (soluzione ipertonica). Trasporti attraverso le membrane Trasporto passivo Trasporto attivo Avviene spontaneamente senza dispendio energetico Richiede energia NON richiede proteine Richiede proteine Diffusione semplice (osmosi) Proteine canale Proteine Carriers Diffusione facilitata Trasporto attivo Lezione 4 Diffusione La maggior parte delle molecole NON polari si muove attraverso la membrana per diffusione SEMPLICE. La diffusione semplice implica il movimento delle molecole attraverso la membrana secondo gradiente di concentrazione. NON richiede energia. Diffusione facilitata È un trasporto passivo a velocità maggiore, dipende dall'azione di specifiche molecole trasportatrici all'interno della membrana. Trasporto attivo Per trasportare attivamente una sostanza attraverso la membrana è necessario uno speciale meccanismo a "pompa" che accoppi il trasporto ad una sorgente di energia (ATP). Pompa sodio-potassio Un importante trasportatore attivo è la Na+K+ ATPasi che trasporta simultaneamente ioni sodio (Na+) fuori dalla cellula e ioni potassio (K+) all'interno della cellula utilizzando l'energia dell'ATP. 3 ioni Na+ si legano alla proteina di trasporto 1. Un gruppo fosfato è trasferito dall'ATP alla proteina di trasporto. 2. La fosforilazione determina un cambiamento di conformazione della proteina carrier, che porta al rilascio di 3 ioni Na+ all'esterno della cellula. 3. 2 ioni K+ si legano alla proteina di trasporto. 4. Il fosfato viene rilasciato.5. Il rilascio del fosfato fa sì che la proteina carrier ritorni alla sua conformazione originaria. 2 ioni K+ sono rilasciati all'interno della cellula. 6. Lezione 4 Il trasporto accoppiato di 2 sostanze è chiamato cotrasporto e dipende da proteine trasmembrana, chiamate cotrasportatori. Uniporto: tramite l'uniporto viene spostata una sola sostanza in una sola direzione. Simporto: tramite il simporto vengono spostate 2 sostanze diverse nella stessa direzione. Antiporto: tramite l'antiporto vengono spostate 2 sostanze diverse in 2 direzioni opposte. Molecole di maggiori dimensioni attraversano le membrane per endocitosi o per esocitosi. Endocitosi: il materiale viene introdotto all'interno della cellula attraverso: - fagocitosi - pinocitosi - endocitosi mediata da recettori Fagocitosi: le cellule possono ingerire particelle esterne mediante ripiegamento della membrana citoplasmatica. Pieghe della membrana plasmatica circondano la particella che deve essere ingerita, formando intorno ad essa un piccolo vacuolo 1. Il vacuolo in seguito ad una strozzatura si libera all'interno della cellula. 2. I lisosomi si fondono con il vacuolo e riversano i loro enzimi sul materiale genetico. 3. Pinocitosi: la cellula introduce materiale liquido. Le goccioline di fluido sono intrappolate da pieghe della membrana plasmatica. 1. Queste subiscono una strozzatura all'interno del citosol e divengono piccole vescicole piene di fluido. 2. Il contenuto di queste vescicole viene lentamente trasferito al citosol. 3. Endocitosi mediata da recettori: La vescicola contenente le LDL (Lipoproteine a bassa densità) si fonde con un lisosoma per formare un lisosoma secondario. Gli enzimi idroliti rilasciano quindi dalle LDL il colesterolo che viene poi utilizzato dalla cellula. Lezione 4 ATP: moneta energetica della cellulaA reazioni endoergoniche si accoppiano reazioni esoergoniche. Le reazioni cataboliche e anaboliche sono accoppiate a reazioni di sintesi e idrolisi dell'ATP. Trasporto di elettroni: trasferimento di energia Nella reazione di ossidoriduzione o reazione redox una sostanza cede uno o più elettroni ad un'altra sostanza. - La riduzione è l'acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, un ione o una molecola. - L'ossidazione è la perdita di uno o più elettroni. I trasportatori di elettroni sono: - NAD+ -> Nicotinammide adenina dinucleotide - FAD -> Flavina adenina dinucleotide - NADP+ -> Nicotinammide adenina dinucleotide fosfato - Citocromi -> PT che contengono Fe come accettore di elettroni Lezione 5 Gli enzimi Sono catalizzatori biologici che influenzano la velocità di una reazione chimica senza essere consumati dalla reazione stessa. Qualsiasi reazione sia endoergonica che esoergonica deve superare una barriera energetica per poter avvenire: energia di attivazione Ea -> quantità di E necessaria per rompere i legami chimici esistenti e formarne altri. Un enzima, abbassando l'Ea, aumenta la velocità di reazione poiché un numero maggiore di molecole reagirà nell'unità di tempo. Meccanismo chiave-serratura Enzima + substrato (i) -> Complesso ES Complesso ES -> Enzima + Prodotto Sito attivo: invaginazioni o cavità formate da catene laterali di AA della molecola enzimatica. Complementarietà con il gr. Catalitico: interazioni deboli, complementarietà strutturale, specificità di legame. Prima della formazione del complesso enzima-substrato (ES), il sito attivo dell'enzima corrisponde al solco dove il substrato andrà a legarsi. Il legame del substrato al sito attivo induce una variazione nella conformazione del sito attivo. Quando il substrato si lega all'enzima, il sito attivo dell'enzima assume una forma complementare a quella del substrato solo dopo che il substrato si è legato, si può parlare di adattamento indotto. 1. Ciò favorisce una distorsione/stiramento dei legami chimici del substrato che ne facilita la rottura (legami chimici preesistenti) e la formazione di nuovi per trasformare il substrato in prodotto di reazione, che viene rilasciato. 2. Esistono 6 classi di enzimi specifici per differenti reazioni: Classe Tipo di reazione catalizzata Ossidoreduttasi Trasferimento di elettroni (ioni idruro H- o atomi di H) Transferasi Reazioni di trasferimento di gruppi funzionali Idrolasi Reazioni di idrolisi (trasferimento di gruppi funzionali all'acqua) Liasi Addizione di gruppi a legami doppi o formazione di legami doppi mediante eliminazione di gruppi Isomerasi Trasferimento di gruppi all'interno di molecole per formare isomeri Ligasi Formazione di legami C-C, C-S, C-O e C-N mediante reazioni di condensazione accoppiate alla scissione di ATP Come agiscono Molti enzimi necessitano di cofattori: - Apoenzima: porzione proteica dell'enzima, perde funzione catalitica in assenza del cofattore. - Cofattore: porzione aggiuntiva che si associa all'apoenzima Natura organica, coenzimi: trasferiscono elettroni o gruppi atomici (coenzima Q, Ubichinone, ATP, NADH, FADH2) Natura inorganica, uno ione metallico (Ca2+ e Mg2+) oppure un gruppo prostetico (citocromi) legato covalentamente all'enzima Lezione 5 L'inibizione è NON competitiva quando l'inibitore si lega al sito allosterico dell'enzima, competitiva se inibitore e substrato competono per legarsi al sito attivo dell'enzima. Le cellule regolano l'attività enzimatica. Se pH e T sono costanti, la concentrazione del substrato e dell'enzima sono fattori limitanti. Regolazione della quantità di enzima: induzione/repressione del gene che codifica per l'enzima. Inibizione a feedback: nelle vie enzimatiche, il prodotto finale può inibire il 1° enzima della catena. Inibizione allosterica: il sito allosterico è il sito di legame per molecole regolatrici dell'attività enzimatica. Il legame si ripercuote sulla conformazione del sito attivo. La respirazione cellulare Fase Riepilogo Alcune sostanze di partenza Alcuni prodotti 1) Glicolisi (nel citosol) Serie di reazioni in cui il glucosio è degradato a piruvato; guadagno netto di 2 molecole di ATP; gli atomi di idrogeno sono trasferiti ai trasportatori di elettroni; può avvenire in anaerobiosi. Glucosio, ATP, NAD+, ADP, Pi Piruvato, ATP, NADH 2) Formazione di acetil CoA (nel mitocondrio) Il piruvato è degradato e combinato con il coenzima A per formare acetil-CoA; gli atomi di idrogeno sono trasferiti ai trasportatori; è rilasciata CO2. Piruvato, coenzima A, NAD+ Acetil- CoA, CO2, NADH 3) Ciclo di Krebs (nel mitocondrio) Serie di reazioni in cui il radicale acetile dell'acetil-CoA è degradato a CO2; è sintetizzato ATP. Acetil CoA, H2O, NAD+, FAD, ADP, Pi CO2, NADH, FADH2, ATP 4) Trasporto degli elettroni e chemiosmosi (nel mitocondrio) Catena di parecchie molecole enzimatiche per il trasporto degli elettroni; gli elettroni sono trasferiti da un componente all'altro della catena; l'energia rilasciata è utilizzata per creare un gradiente protonico; l'ATP è sintetizzato grazie alla diffusione secondo gradiente dei protoni; l'ossigeno è l'accettore finale degli elettroni. NADH, FADH2, O2, ADP, Pi ATP, H20 NAD+, FAD Lezione 5 Quanto abbiamo guadagnato in ATP? Fosforilazione a livello del substrato: 2 ATP (glicolisi) e 2 ATP (ciclo di Krebs). La maggior parte dell'E estratta dai legami chimici del glucosio si trova negli elettroni trasportati da NADH e FADH2: 2 NADH (glicolisi), 6 NADH e 2 FADH2 (ciclo di Krebs). Il guadagno netto è di 2 ATP, 6 NADH e 2 FADH2. Catena di trasporto degli elettroni Sintesi di ATP accoppiata a reazioni redox esoergoniche sulla membrana interna del mitocondrio. La sintesi di ATP (endoergonica) sfrutta l'E liberata dagli e-, L'intero processo viene definito fosforilazione ossidativa. La catena è composta da 4 gruppi di accettori, costituiti da un aggregato multiproteico: falvin mononucleotide (FMN), il lipide ubichinone (CoQ), proteine ferro-zolfo e ferro-proteine chiamate citocromi con Fe2+ (stato ridotto) e Fe 3+ (stato ossidato). L'accettore finale di elettroni (atomi di H) è l'O2. Complesso I: accetta gli e- dalle molecole di NADH. Complesso II: accetta gli e- dalle molecole di FADH2 Ubichinone ridotto Complesso III: accetta gli e- dall'ubichinone ridotto. Complesso IV: accetta e- dal complesso III 02: accettore finale di e- che riceve del citocromo C. Uno dei due atomi della molecole accetta due e- che, insieme a due protoni provenienti dall'ambiente circostante, si riduce a H2O. Modello chemiosmotico Il trasporto di elettroni e la sintesi di ATP sono accoppiati da un gradiente di protoni. Parte dell'E liberata dagli e-, attraversando la catena di trasporto, è utilizzata per "pompare" protoni (H+) attraverso la membrana mitocondriale interna e stabilire un gradiente protonico con lo spazio intermembrana. 3 dei 4 trasportatori di elettroni fungono da pompe protoniche: complessi I, III e IV. (H+) spazio intermembrana > (H+) matrice Il passaggio di H+ verso la matrice è possibile solo attraverso la PT canale ATP sintasi. Sulla membrana interna del mitocondrio e rivolta verso la matrice. Il flusso di H+ secondo gradiente attraverso la PT fornisce E per la sintesi di ATP da ADP e P inorganico (processo esoergonico che aumenta l'entropia del sistema). Grazie alla chemiosmosi le reazioni esoergoniche redox, trascinano la reazione endoergonica di sintesi dell'ATP. Resa energetica della completa ossidazione del glucosio L'ossidazione di 1 NADH nella catena di trasporto degli elettroni produce 3 ATP. L'ossidazione di 1 FADH2 produce 2 ATP. * Il trasporto di NADH della glicolisi all'interno del mitocondrio, può comportare perdita di energia. Lezione 5 La membrana mitocondriale interna è impermeabile al NADH. Il passaggio di NADH ottenuto nel citoplasma con la glicolisi, all'interno del mitocondrio, NON è spontaneo. Alcune cellule (tessuto cerebrale, cardiaco, renale e muscolare) per fare fosforilazione ossidativa e recuperare anche l'energia degli elettroni nelle molecole di NADH fanno ricorso ai sistemi navetta. Il NADH viene ossidato dallo shuttle diidrossiacetone fosfato (DHAP), nello spazio intermembrana del mitocondrio, che si riduce in glicerolo-3-P. Quest'ultimo sulla membrana interna si ossida nuovamente a DHAP riducendo una molecola di FAD in FADH2. Con questo tipo di sistema, pur essendo vantaggioso per la cellula, si ha perdita di energia in quanto nelle molecole di FADH2 gli elettroni si trovano ad un livello energetico più basso rispetto a quello con cui sono legati nelle molecole di NADH. Le cellule regolano la respirazione aerobica. In condizioni normali, c'è sempre disponibilità di carburante e 02. Ridotta disponibilità di ADP e Pi, riducono la velocità della respirazione con un meccanismo a feedback negativo. Viene rallentata la glicolisi, bloccando l'enzima fosfofruttochinasi. Sono presenti 2 siti allosterici: un sito inibitore per ATP e un sito attivatore per AMP. (ATP inattivano l'enzima, AMP attivano l'enzima). Resa energetica di altre sostanze nutritive Proteine: la catena carboniosa può essere ossidata solo dopo deaminazione degli aminoacidi (rimozione gr. NH2 e escerzione con l'urea). - Deaminazione dell'AA alanina: produce piruvato; - Deaminazione del glutammato: produce alfa-chetoglutarato; - Deaminazione dell'aspartato: produce ossalacetato. Lipidi: contengono molecole altamente ridotte con più del doppio di E del glucosio 1 g lipidi = 9 kcal 1g glucosio/AA = 4 kcal Glicerolo: viene fosforilato in gliceraldeide-3-fosfato Acidi grassi: vengono scissi in gr. Acetile e legati al CoA attraverso la beta- ossidazione, poi entrano nel ciclo di Krebs (acido grasso a 6C produce 44 ATP). Respirazione anaerobica Non utilizza 02 come accettore finale di elettroni, ma composti inorganici come il nitrato (NO3-) o il solfato (SO42-) (batteri che vivono in ambienti anaerobici). Fermentazione NON prevede una catena di trasporto di elettroni, produce ATP solo mediante reazioni di fosforilazione a livello del substrato durante la glicolisi (batteri e funghi). Lezione 5 Fermentazione alcolica e lattica sono poco efficienti. L'ossidazione del glucosio (6C) è solo parziale: l'alcol etilico contiene ancora 2C; il lattato contiene ancora 3C; la resa netta è di sole 2ATP. Quindi il substrato che consumano le cellule che fanno fermentazione deve essere 20 volte di più. Fermentazione alcolica e lattica Fermentazione alcolica: per decarbossilazione del piruvato si forma acetaldeide. Il NADH prodotto con la glicolisi cede H e la riduce ad alcol etilico (2C). La fermentazione alcolica è attuata da alcuni lieviti, che si caratterizzano per essere anaerobi facoltativi ed è alla base dei processi industriali per la produzione di birra, vino e nella panificazione. Fermentazione lattica: il NADH prodotto dalla glicolisi cede H direttamente al piruvato e lo riduce a lattato (3C). È tipica di alcuni batteri e funghi e viene sfruttata nella produzione di formaggi fermentati e yogurt. Lezione 5 Recettori accoppiati ad enzimi: recettori transmembrana che contengono ed esprimono attività enzimatiche. Quando uno di questi recettori viene attivato da un ligando extracellulare, catalizza direttamente la produzione di un secondo messaggero intracellulare. I recettori si trovano in uno stato inattivo.1) Quando le molecole segnale (ligandi) si legano ai recettori, questi vengono fosforilati enzimaticamente con gruppi fosfato derivanti dall'ATP. 2) Chinasi: enzima che trasferisce un gruppo fosfato dall'ATP ad un substrato (fosforilazione). Quando i ligandi si legano a due R a tirosin chinasi, i R si avvicinano e formano un DIMERO. I siti delle chinasi sono inattivati per fosforilazione. La trasduzione del segnale I messaggeri extracellulari inducono delle cascate di segnalazioni intracellulari influenzando l'attività di molte proteine cellulari. Il segnale intracellulare viene amplificato. Le proteine segnale interne si comportano in genere come interruttori molecolari. La molecola segnale funge da primo messaggero. I secondi messaggeri sono ioni o piccole molecole che veicolano segnali all'interno della cellula. Le proteine segnale interne si comportano in genere come interruttori molecolari. I segnali extracellulari che arrivano ai recettori accoppiati alle proteine G e ai recettori legati ad enzimi, passano a molecole intracellulari, per lo più proteine ma anche piccole molecole come GMP ciclico, AMP ciclico e Ca2+. La molecola segnale si lega al recettore accoppiato a una proteina G presente nella membrana plasmatica. Il complesso molecola segnale- recettore attiva la proteina G. Il GDP è rimpiazzato dal GTP. La proteina G attiva l'adenilato ciclasi, che quindi catalizza la sintesi di cAMP. IL cAMP attiva la protein chinasi A che fosforilla specifiche proteine determinando la risposta cellulare. Fosfodiesterasi: degradano cAMP. Lezione 6 La via dell'AMP ciclico: in risposta a stimoli extracellulari la concentrazione di cAMP può aumentare o diminuire rapidamente. cAMP è idrosolubile e porta il segnale a proteine del citosol o negli organelli. Molte risposte cellulari sono mediate da cAMP. Alcune proteine G utilizzano fosfolipidi come secondi messaggeri. PIP2 ---- IP3 e DAG Il Ca2+ ha la funzione di messaggero intracellulare: - nella cellula uovo, un improvviso aumento della concentrazione di calcio citosolico si verifica in seguito alla fecondazione da parte di uno spermatozoo ed è responsabile dell'inizio dello sviluppo dell'embrione. - nelle cellule muscolari innesca la contrazione. - in molte cellule secretorie scatena la secrezione. Molte azioni del calcio nelle cellule animali sono mediate da proteine chinasi dipendenti da ca2+/calmodulina. Ogni molecola di calmodulina ha 4 siti di legame con il calcio, il cui legame ne induce un cambio conformazionale che aumenta la affinità per diversi enzimi: protein chinasi, fosfatasi modulandone l'attività. Alcune molecole segnale idrofobiche attraversano la membrana cellulare e si legano a recettori intracellulari (citosol o nucleo). Cortisolo: recettori citoplasmatici Tiroxina: recettori nucleari (legati al DNA)/attivano o reprimono l'espressione genica Gli ormoni peptidici sono idrofili pertanto NON entrano nella cellula bersaglio (recettori di superficie). Le proteine di impalcatura (scaffold) aumentano l'efficienza. Posizionano gli enzimi in prossimità delle proteine che regola, aumentandone la probabilità di interazione. Riducono la probabilità che tali enzimi vengano reclutati in altre vie. Trasmissione del segnale accurata, rapida ed efficace. Lezione 6 La risposta del segnale: le molecole segnale attivano specifiche vie di trasduzione del segnale che inducono specifiche risposte cellulare: - apertura o chiusura di canali ionici; - alterazione attività enzimatica; - alterazione espressione genica. Amplificazione del segnale: una singola molecola conduce a cambiamenti in milioni di molecole a valle della cascata di segnalazione. Terminazione del segnale: la terminazione del segnale riporta il recettore e tutti i suoi componenti della via di trasduzione del segnale nel loro stato inattivo. Molecole segnale extracellulari: piccole molecole come amminoacidi e loro derivati. Costituiscono neurotrasmettitori e ormoni. - Gas come NO e CO - Ormoni steroidei, derivati del colesterolo - Ecosanoidi, molecole NON polari derivate dall'acido arachidonico - Proteine, transmembrana, della matrice extracellulare o secrete nello spazio extracellulare Si possono distinguere in: - Molecole troppo grandi o troppo idrofiliche per attraversare la membrana. La loro azione dipende dalla presenza di recettori di superficie. - Molecole piccole idrofobiche che diffondono attraverso la membrana. Attivano enzimi interni o legano recettori intracellulare che regolano l'espressione genica. Lezione 6 Anafase: Si verifica la separazione dei cromatidi fratelli che migrano in direzioni opposte. IMPORTANTE! Quando i cromosomi mitotici si duplicano, i cromatidi fratelli sono inizialmente associati per mezzo di complessi proteici chiamati coesine. I legami mediati dalle coesine sono particolarmente concentrati in prossimità del centromero. Con il progredire della mitosi, le coesine si dissociano dai bracci dei cromosomi duplicati. 1) Successivamente, le coesine si dissociano anche dal centromero per consentire ai cromosomi figli di separarsi durante l'anafase. 2) Telofase: Si ricostituiscono i nuclei e inizia la citocinesi. I cromatidi fratelli si separano a livello dei loro centromeri. Un gruppo di cromosomi si muove verso ciascun polo della cellula. I poli del fuso si allontanano ulteriormente. I cromosomi sono raggruppati ai poli. I cromosomi si decondensano e comincia a formarsi l'involucro nucleare. La citocinesi produce 2 cellule figlie. La citocinesi/citodieresi è la divisione del citoplasma. La separazione delle cellule animali avviene grazie alla formazione di un solco di scissione, cioè un'intaccatura della membrana plasmatica. Nelle cellule vegetali, la citodieresi implica la sintesi di una nuova membrana plasmatica, generata da vescicole che si fondono formando una piastra cellulare, e di una nuova parete cellulare. Al termine della mitosi si formano 2 cellule figlie fisicamente e geneticamente identiche alla cellula madre. Il ciclo cellulare è soggetto a vari sistemi di controllo. Il ciclo cellulare presente precisi punti di controllo che fanno continuare il ciclo solo se tutto procede nel verso giusto. In caso contrario, la cellula va incontro all'apoptosi (distruzione cellulare programmata). Punto di controllo G1. Punto di controllo del ciclo cellulare. La cellula entra nella fase G0 o, se il DNA è danneggiato in modo irreparabile, avviene l'apoptosi. Altrimenti, la cellula viene avviata alla divisione, proseguendo il ciclo. 1. Punto di controllo G2. Punto di controllo della mitosi. La divisione mitotica avviene solo se il DNA è duplicato correttamente, altrimenti, se il DNA è danneggiato in modo irreparabile, avviene l'apoptosi. 2. Punto di controllo M. Punto di controllo del fuso mitotico. Se i cromosomi NON sono allineati correttamente lungo le fibre del fuso, la mitosi NON procede. 3. Lezione 7 Il controllo cellulare ubbidisce a precisi segnali. I punti di controllo rispondono a precisi ordini portati da molecole segnale che stimolano o inibiscono un certo evento del ciclo. Le molecole segnale interne del ciclo cellulare sono le chinasi e le cicline. Esse si muovono nell'ambito cellulare. Le molecole segnale esterne operano invece al di fuori della cellula. Alcune di esse, come i fattori di crescita e gli ormoni, stimolano le cellule a proseguire il ciclo cellulare. Una molecola segnale invia un messaggio a un recettore incastonato nella membrana. 1. Il segnale viene trasmesso al nucleo per mezzo di proteine citoplasmatiche.2. Il sistema di controllo situato nel nucleo riceve il segnale.3. Anche l'inibizione da contatto, in cui il ciclo cellulare viene inibito dal contatto con altre cellule, dipende da molecole segnale esterne. Riproduzione asessuata: la cellula si divide per mitosi formando cellule geneticamente identiche (cloni). Riproduzione sessuata: comporta l'unione di 2 cellule sessuali (gameti) per formare lo zigote (geneticamente diverso dai genitori). Nelle cellule somatiche è presente una coppia di cromosomi omologhi simili per dimensione, forma e posizione dei centromeri. Meiosi La meiosi produce i gameti e le spore. La meiosi è il tipo di divisione cellulare che ha un ruolo chiave nella riproduzione sessuata. Appena prima della divisione, nella cellula sono visibili le coppie di cromosomi omologhi, chiamati così poiché hanno la stessa taglia, forma e tipo di costrizione (la posizione del centromero). Nei gameti è presente un solo cromosoma di ogni coppia di omologhi. La meiosi prevede 2 cicli di divisioni. Le 4 fasi tipiche della mitosi (profase, metafase, anafase e telofase) si possono evidenziare sia nella meiosi I sia nella miosi II. Al termine della meiosi, un cromosoma di ciascuna coppia di cromosomi omologhi è in ciascuna delle 4 cellule figlie aploidi. Cellula diploide 4 cellule aploidi Fasi della meiosi I Lezione 7 Profase I Include sinapsi e crossing-over. I cromosomi omologhi si avvicinano e si allineano lateralmente: essi sono in sinapsi, che significa "uniti insieme". Poiché ciascun omologo ha 2 cromosomi fratelli, nella sinapsi 4 cromosomi si trovano a stretto contatto; tale gruppo si chiama tetrade. Durante la sinapsi, i cromatidi NON fratelli della tetrade talvolta si scambiano materiale genetico, un evento chiamato crossing-over. Grazie a questo scambio, i cromatidi fratelli portano delle informazioni genetiche NON più uguali. Il processo di crossing-over permette la variabilità genetica. Metafase I Le tetradi (gli omologhi) si allineano sul piano equatoriale della cellula. I cromosomi rimangono uniti in corrispondenza dei chiasmi. Anafase I I cromosomi omologhi si separano e migrano verso i poli opposti. I cromatidi fratelli rimangono uniti in corrispondenza del centromero. Telofase I I cromatidi si condensano. L'involucro nucleare si riorganizza. Avviene la citocinesi. ATTENZIONE! Nelle cellule figlie (aploidi) abbiamo 2 cromosomi dicromatidici. Intercinesi L'intercinesi è simile all'interfase ma manca della fase S quindi NON si verifica alcuna duplicazione del DNA. Meiosi II È simile alla mitosi. Lezione 7 La composizione chimica del DNA Il DNA è un polimero composto da nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da: - una molecola di zucchero (desossiribosio); - un gruppo fosfato; - una base azotata (adenina, guanina, citosina, timina). Purine e pirimidine Avery stabilì che il DNA (e NON le proteine) era il materiale genetico della cellula. Chargaff scoprì che la proporzione delle 4 basi azotate nel DNA è la stessa in tutte le cellule degli individui della stessa specie. I nucleotidi sono legati tra loro con legami covalenti. Il carbonio 3' di uno zucchero è legato al gruppo fosfato in posizione 5' dello zucchero adiacente formando un legame 3'-5' fosfodiesterico. Ciascuna molecola di DNA è composta da due catene polinucleotidiche antiparallele che si associano a formare una doppia elica. A ciascuna estremità della molecola del DNA una emielica presenta un carbonio 5' libero e l'altra presenta un carbonio 3' libero. Ogni base forma un legame covalente con lo zucchero adiacente. Le basi appaiate si incontrano sull'asse centrale dell'elica con legami a idrogeno. Le basi appaiate sono complementari, dove (A=T) e (G=C). Il rapporto purine e pirimidine è uguale 1. A/T e G/C = 1 30% A = 30% T 20% G = 20% C La sequenza delle basi nelle due catene di DNA è complementare. 3' ---- T G C A C ---- 5' 5' ---- A C G T G ---- 3' Le cellule si dividono per permettere agli organismi di crescere, riparare parti danneggiate e riprodursi. Le informazioni genetiche sono contenute nel DNA che rappresenta il GENOMA dell'organismo (I genomi sono organizzati in unità di informazione chiamati GENI). Nelle cellule eucariotiche il DNA è associato con proteine per formare i CROMOSOMI. La cromatina All'interno del nucleo gli acidi nucleici, si associano con le proteine per formare macromolecole nucleoproteiche di dimensioni maggiori. Il DNA, che è carico negativamente, si associa a proteine basiche, gli istoni ed a proteine NON istoniche per formare la cromatina ossia il complesso nucleoproteico da cui originano i cromosomi. I nucleosomi Segmenti di DNA, si associano ad una struttura proteica denominata core e formata dall'associazione di 8 istone: H2A H2B H3 ed H4 che avvolgono il core proteico costituendo il nucleosoma. Ciascun nucleosoma contiene un gruppo di 8 molecole di istoni che forma un nucleo proteico, intorno al quale si avvolge il DNA a doppia elica. Il tratto di DNA che circonda gli istoni è lungo 146 coppie di basi: un altro segmento di DNA, della lunghezza di circa 60 coppie di basi, collega i nucleosomi tra loro. Lezione 8 Il legame dell'istone H1 porta ad un maggiore compattamento del nucleosoma (fibra cromatinica 30 nm). H1 si lega sia al nucleosoma che al DNA killer. Quando una cellula si prepara a dividersi, i suoi cromosomi si ispessiscono e si accorciano via via che le loro fibre cromatiniche vengono compattate. Le anse interagiscono per formare la cromatina condensata che costituisce i cromosomi metafasici. Le fibre cromatiniche sono tenute insieme da proteine di impalcatura. Due nucleosomi adiacenti sono legati fra loro attraverso un istone di collegamento, H1 e segmenti di DNA. In questo modo, la cromatina assume la struttura a collana di perle, tipica della cromatina distesa. Condensina: proteine necessarie per la compattazione cromosomica. Seguendo un criterio funzionale e strutturale, possiamo distinguere 2 differenti stati conformazioni della cromatina: - l'eucromatina: cromatina in forma distesa ed in attività trascrizionale; - l'eterocromatina: cromatina super avvolta ed inattiva dal punto di vista trascrizionale. La replicazione del DNA È sufficiente rompere i legami a idrogeno per separare le 2 emieliche. Durante la sintesi del DNA (replicazione) i due filamenti che costituiscono l'elica vengono srotolati da un enzima (elicasi) e ciascuno dei due filamenti fa da stampo per la sintesi di un filamento ad esso complementare. Lezione 8 Successivamente ciascuna emielica potrebbe appaiarsi per complementarietà con nuovi nucleotidi. L'enzima che catalizza la sintesi di nuovi nucleotidi è la DNA polimerasi. La polimerizzazione del DNA avviene sempre in direzione 5'-3': i nucleotidi vengono aggiunti sempre all'estremità 3'-OH del filamento che sta sintetizzando come copia del filamento stampo. Gli enzimi DNA primasi iniziano la replicazione del DNA formando dei primer di RNA su entrambi i filamenti della forca replicativa. Entrambi i filamenti richiedono la presenza dei primer di RNA per l'inizio della sintesi del nuovo filamento poiché il DNA può essere esteso solo mediante aggiunta di nucleotidi all'estremità 3' di un filamento polinucleotidico preesistente. La DNA polimerasi estende le copie del filamento guida e del filamento ritardato partendo dai primer a RNA in direzione 5' -> 3'. Il filamento guida è sintetizzato in continuo nella direzione della forca di replicazione; il filamento ritardato è sintetizzato come frammenti di Okazaki in direzione opposta rispetto a quella della forca di replicazione. La sintesi di ciascun frammento di Okazaki inizia con la sintesi di un primer a RNA. Si osservi come il primo frammento di Okazaki sintetizzato sia all'estrema sinistra e sia stato già incorporato nel filamento ritardato. Dopo che ciascun frammento di Okazaki è stato esteso a opera della DNA polimerasi, il primer di RNA viene degradato e i vuoti vengono riempiti con DNA sintetizzato da una nuova DNA polimerasi lasciando una rottura tra le estremità 5' e 3' dei due frammenti adiacenti. I frammenti di Okazaki vengono uniti a opera di una DNA ligasi che ripara la rottura e forma così un filamento continuo. Al termine della replicazione si ottengono due molecole figlie, ognuna delle quali è costituita da un filamento vecchio e uno di nuova sintesi. Ogni filamento rappresenta un cromatide di un cromosoma duplicato. Lezione 8 TERMINAZIONE: L'RNA polimerasi riconosce una sequenza di terminazione. Il trascritto di RNA e l'RNA polimerasi sono rilasciati. mRNA batterico La figura confronta un mRNA batterico con la regione del DNA da cui è stato trascritto. L'RNA polimerasi riconosce, ma NON trascrive, le sequenze che sul DNA costituiscono il promotore. L'inizio della sintesi dell'RNA avviene 5-8 basi a valle del promotore. I siti di riconoscimento del ribosoma sono situati sulla sequenza leader al 5' dell'mRNA. La sequenza che codifica per la proteina comincia con il codone di inizio, che segue la sequenza leader, e finisce con un codone di terminazione vicino al 3' della molecola. Sequenze "trailing" a valle, che variano in lunghezza, seguono le sequenze che codificano per la proteina. Traduzione Implica la conversione di un codice a 4 basi azotate dell'acido nucleico ad un alfabeto di venti AA delle proteine. L'interprete è il tRNA che è in grado di abbinare una parola a tre lettere (codone) con una parola ad una lettera (AA). RNA di trasporto La struttura tridimensionale della molecola di tRNA è determinata dai legami idrogeno che si formano tra basi complementari. Un'ansa del tRNA contiene l'anticodone in gradi di appaiarsi con il codone complementare presente sull'mRNA. L'aminoacido è legato al gruppo idrossile presente in posizione 3' del nucleotide terminale. Il diagramma stilizzato dell'aminoacil-tRNA mostra l'aminoacil-tRNA mostra l'aminoacido legato al trasportatore attraverso il suo gruppo carbossilico, con esposizione dell'aminogruppo per la formazione del legame peptidico. La struttura tridimensionale di una molecola di tRNA è determinata dai legami a idrogeno che si formano fra le basi complementari. Un'ansa contiene l'anticodone, che si appaia in modo specifico con il codone presente sull'mRNA. L'aminoacido viene legato all'estremità 3'-OH del nucleotide terminale. Disegno schematico di un aminoacil- tRNA che mostra come l'aminoacido è legato al tRNA mediante il suo gruppo carbossilico, lasciando il gruppo amminico disponibile per formare un legame peptidico. Lezione 9 Gli aminoacidi sono legati covalentemente alle loro rispettive molecole di tRNA dalle aminoacil-tRNA sintetasi, che utilizzano ATP come fonte di energia. Ribosoma Un ribosoma è formato da due subunità, una maggiore e una minore. Questo modello di ribosoma è basato su ricostruzioni tridimensionali di immagini ottenute al microscopio elettronico. L'mRNA passa attraverso un solco presente tra le due subunità ribosomali. Ciascun ribosoma contiene tre siti di legame per le molecole di tRNA. Presenta 4 siti di legame: uno per l'mRNA, tre per il tRNA (sito P, sito A e sito E). Sito P -> sito del peptide Sito A -> sito dell'AA Sito E -> sito di uscita La traduzione può essere divisa in 3 stadi: Inizio1. Allungamento2. Terminazione3. Inizio Formazione del complesso tra ribosoma, mRNA e tRNA iniziatore. Il tRNA iniziatore si trova nel SITO P. Una subunità ribosomiale minore si lega ad una molecola di mRNA. Nella cellulare procariotica il sito di legame di questa subunità riconosce specificamente una sequenza nucleotidica posta sull'mRNA, subito a monte del codone d'inizio. Una prima molecola di tRNA, con l'anticodone UAC, si appaia al codone di inizio, AUG. Questo tRNA trasporta l'amminoacido metionina (Met). 1. La metionina è il primo AA ella catena polipeptidica. L'arrivo di una subunità ribosomiale maggiore completa il complesso d'inizio. Proteine note come fattori d'inizio sono necessarie per riunire insieme tutti i componenti della traduzione. Il GTP fornisce l'energia necessaria per l'assemblaggio. Il tRNA iniziale si trova nel sito P; il sito A è disponibile per il tRNA che trasporta l'amminoacido successivo. 2. Allungamento Riconoscimento del codone: l'aminoacil-tRNA si lega al codone nel sito A1. Formazione del legame peptidico tra il nuovo AA e la catena polipeptidica in accrescimento2. Traslocazione: l'mRNA scorre sul ribosoma di un codone. L'tRNA che era nel sito A viene traslocato nel sito P. Contemporaneamente il tRNA che occupa il sito P si sposta nel sito E. Il codone successivo che deve essere tradotto è trasportato nel sito A. 3. Lezione 9 Terminazione Il codone di terminazione (UAA, UAG, UGA) raggiunge il sito A del ribosoma. Quando un ribosoma raggiunge un codone di terminazione sull'mRNA. Il sito A del ribosoma viene occupato da una proteina, detta fattore di rilascio, al posto dell'tRNA. Il fattore di rilascio idrolizza il legame tra il tRNA del sito P e l'ultimo amminoacido della catena polipeptidica. Il polipeptide viene quindi liberato dal ribosoma. Le due subunità ribosomiale e gli altri componenti del complesso si dissociano. Nella cellula batterica l'RNA messaggero è immediatamente disponibile per la traduzione da parte del ribosoma. Nella cellula eucariotica è necessaria una fase di maturazione all'interno del nucleo prima di procedere con la traduzione. Lezione 9 Lattosio presente: quando il lattosio è presente, viene trasformato in allolattosio, che si lega al repressore in un sito allosterico, alternando la struttura della proteina, che così NON si può più legare all'operatore. Questo permette all'RNA polimerasi di trascrivere i geni strutturali. CON INDUTTORE: presenza di lattosio Il represso di lac è un esempio di regolatore negativo. Molecola che riduce la trascrizione quando si lega a una sequenza specifica di DNA. Si tratta di una via catabolica, normalmente inattiva (NON espressa), che viene attivata (INDOTTA) dalla presenza della molecola da degradare (il lattosio). L'operone lac risponde anche ad un regolare positivo, che fa aumentare il tasso di trascrizione. CAP o proteina attivata dai cataboliti CAP si lega nella regione del promotore Il promotore del lattosio è di per sé debole e lega in maniera inefficiente la RNA polimerasi anche quando il repressore lattosio è inattivo. Alti livelli di lattosio, alti livelli di glucosio, bassi livelli di cAMP: quando i livelli di glucosio sono alti, il cAMP è basso; la proteina CAP è in forma inattiva e NON può promuovere la trascrizione che avviene quindi solo a livelli bassi o NON avviene per niente. Alti livelli di lattosio, bassi livelli di glucosio, alti livelli di cAMP: quando i livelli di glucosio sono bassi, il cAMP si lega alla proteina CAP che può così attivare la trascrizione dell'operone legandosi al DNA. Lezione 10 Operone triptofano 5 geni strutturali i cui prodotti proteici servono per la sintesi del triptofano. Anche l'operone triptofano è soggetto a regolazione negativa. Tipo di regolazione genica legato alle vie anaboliche, nelle quali aminoacidi, nucleotidi ed altre molecole vengono sintetizzate. Si parla di operoni reprimibili, di solito attivi ed inattivati solo in particolare condizioni. Assenza di triptofano: i geni strutturali che codificano per gli enzimi per la sintesi dell'aminoacido triptofano sono organizzati in un operone reprimibile. Livelli intracellulari di triptofano bassi: la proteina repressore è incapace di impedire la trascrizione perché NON può legarsi all'operatore. Presenza di triptofano Livelli intracellulari di triptofano elevati: l'aminoacido si lega a un sito allosterico sulla proteina repressore modificandone la conformazione. Il repressore in questo modo viene attivato e si lega alla regione dell'operatore bloccando la trascrizione dell'operone fino a che il triptofano NON sia di nuovo richiesto dalla cellula. Si tratta di una via anabolica, normalmente attiva (espressa), che viene inattivata o repressa dalla presenza della molecola (il triptofano) che si forma per effetto delle attività enzimatiche. Differenze della regolazione genica fra procarioti ed eucarioti: - dimensione e complessità del genoma - compartimentazione del genoma - organizzazione strutturale del genoma - stabilità dell'mRNA - modificazione post-traduzionale delle proteine - turnover delle proteine - le cellule eucariotiche sono prive di operoni Lezione 10 L'organizzazione del cromosoma influenza l'espressione di alcuni geni. Una regione di DNA inattiva: l'eterocromatina è organizzata in nucleosomi strettamente associati. Una regione di DNA attiva: i geni attivi sono associati alla cromatina decondensata (eucromatina). L'eucromatina è più accessibile all'RNA polimerasi per la trascrizione di quella regione. Dove avviene la trascrizione, gli istoni sono fisicamente rimossi dal DNA. Lezione 10