Scarica Appunti di Biologia Applicata e più Dispense in PDF di Biologia solo su Docsity! Organisimi viventi complessi ma ordinati: costituiti da: • ATOMI = elemento minimo non scindibile con reazioni chimiche ordinarie, che mantiene tutte le caratteristiche chimiche proprie dell’elemento. Composto di particelle subatomiche. • MOLECOLE = combinazione di più atomi , composto chimico. Negli atomi , come detto, vi sono comunque degli elementi più piccoli, le particelle subatomiche tra le quali: • Protoni = particella con carica positiva, parte con il neutrone del nucleo • Neutroni = particella senza carica elettrica parte col protone del nucleo • Elettroni = particella con carica negativa, ruota attorno al nucleo atomico. In un atomo neutro , protoni ed elettroni sono in uguale numero. Gli elettroni ruotano nello spazio attorno al nucleo, nello regioni orbitali, spazio nel quale è più probabile trovare l’elettrone. Regioni orbitali = contengono max 2 elettroni ciascuno, possono essere sferiche o bilobati. L’energia di un elettrone dipende dall’orbitale che occupa: • il primo livello ha un solo orbitale sferico detto s1 con al massimo due elettroni • il secondo livello può avere quattro orbitali, ciascuno con un massimo di due elettroni (8 in totale) : uno sferico (2s) e tre bilobati (2p) perpendicolari l’uno rispetto all’altro (2px, 2py, 2pz). Gli elementi sono ordinati secondo un ordine che dipende dal loro numero atomico che definisce la tavola periodica degli elementi, che fornisco informazio quali la composizione, struttura, e comportamento chimico. Ad ogni elemento è assegnato un simbolo, esempio O per l’ossigeno, C per il carbonio, H per l’idrogeno, N per l’azoto, Na per il sodio.. Più del 96% della massa di tutti gli organi viventi è risultato della combinazione di 4 elementi : Ossigeno, Carbonio, Idrogeno ed Azoto Quando due o più atomi si legano chimicamente, si ha una molecola: ad esempio quando due atomi di idrogeno (H) si legano ad uno di Ossigeno (O) si ha una molecola di H2O ovvero acqua. Gli atomi sono tenuti iniseme da forze attrattive detti legami chimici i cui principali tipi sono due: covalente ed ionico. I legami sono caratterizzati dalla messa in comune degli elettroni tra gli atomi. Ma quali sono gli elettroni utilizzati per formare questi legami? Ogni atomo ha la tendenza a completare l’ottetto del suo strato più esterno. Se per esempio un atomo ha un solo elettrone nell’orbitale 2s e l’altro ne ha 7 negli orbitali di secondo livello, il primo atomo cederà un elettrone. Gli elettroni oltre che ceduti ed acquistati possono essere messi in comune, con le medesime regole. Molte razioni che avvengono nella cellula (per esempio nelle trasformazioni energetiche) implicano il trasferimento di elettroni da un composto all’altro, e queste reazioni sono dette ossido-riduzioni o reazioni redox. Insieme agli elettroni si trasferisce anche l’energia ad esso associata. • Ossidazione = un composto perde elettroni • Riduzione = un composto acquista elettroni In una reazione di ossido-riduzione, il composto • ossidante accetta elettroni e si riduce • riducente cede elettroni e si ossida. Nel legame covalente invece gli elettroni vengono condivisi. Per esempio due atomi di idrogeno mettono in comune l’unico elettrone che hanno così che ciacuno abbia l’orbitale 1s riempito, formando un legame covalente H-H (H2). Così anche per l’ossigeno in cui due atomi di ossigeno mettono in comune due elettroni ciascuno riempendo reciprocamente gli orbitali del livello energetico 2, con doppio legame covalente O=O (O2). I legami covalenti possono essere polari o apolari : tra gli atomi coinvolti in un legame uno dei due può avere una maggiore forza attrattiva per gli elettroni in comune, grazie ad una maggiore elettronegatività , che è per l’appunto la affinità elettronica dell’atomo...per esempio nella molecola dell’acqua due atomi Idrogeno e un atomo Ossigeno, che hanno differente elettronegatività, formano un legame covalente: ma la maggiore elettronegatività dell’ Ossigeno attrarrà maggiormente gli elettroni di legame, con uno sbilanciamento dell cariche negative verso di esso, e la prevalenza di cariche positive (protoni) negli atomi di Idrogeno. Il legame covalente sarà quindi polare: nel caso dell’acqua un dipolo, particolarità che tratteremo in seguito. Altro tipo di legame è quello ionico, in cui non vi è la messa in comune ma l’acquisto e la cessione di elettroni tra due atomi. In sostanza, tenendo fede alla regola dell’ottetto, un atomo tenderà a cedere elettroni e ad avere quindi prevalenza di cariche positive e sarà detto catione. L’atomo che invece acquista elettroni avrà prevalenza di questi ultimi e quindi maggiori cariche negative , e sarà detto anione. Un esempio è il cloruro di Sodio (NaCl), comunemente detto sale, in tale molecola: • l’atomo di Cloro ha 17 protoni postivi bilanciati da 17 elettroni negativi • l’atomo di Sodio ha 11 protoni bilanciati da 11 elettroni negativi Quindi • il Cloro ha tendenza a completare l’ottetto acquistando un elettrone, diventando un anione (Cl-) • il Sodio ha la tendenza a perderlo, liberando un ottetto, diventando un catione (Na+) Quando tale composto ionico NaCl viene immerso in acqua H2O, le cariche negative di quest’ultimo sono attrate dallo ione positivo Na+ e lo circondano sottraendolo al legame, mentre le cariche postive di H2O sono attratte dagli ioni negativi Cl- e tenderanno a “tirarlo” a sè strappandolo al legame e circondandolo. Qunid il sale in acqua si scioglie. Nel legame a Idrogeno, chiamato anche Ponte a Idrogeno, si verifica ad esempio nell’acqua: • In una molecola H2O come visto, si forma un dipolo con un atomo di Ossigeno che a causa della sua maggiore elettronegatività attrae gli elettroni di due atomi di Idrogeno • I due atomi di Idrogeno, perdendo gli elettroni diventano più positivi e tendono ad attrarre l’atomo di ossigeno di una altra molecola di H2O vicina. • Le molecole di H2O tendono quindi ad attaccarsi. Questa attrazione tra molecole di per sè è una forza molto debole, ma la sommatoria di tutte queste attrazioni crea un forte legame che conferisce alla molecole stesse proprietà particolari: per esempio la tendenza dell’acqua a risalire nei tubi e ad entrare in spazi molto stretti. Inoltre , proprio a causa della polarità delle sue molecole, l’acqua tende a sciogliere molti tipi di composti, particolarmente ionici e polari. Rispetto al rapporto con l’acqua, le sostanze sono : • Idrofile = che interagiscono con l’acqua, generalemente quelle con legami ionici o covalenti polari • Idrofobe = quelle che non si sciolgono in acqua, e sono in genere basate su legami apolari. La molecola di acqua ha una tendenza bassissima a separarsi in ioni H+ e ioni OH- : il piccolissimo numero di molecole H2O che si dissocia dà luogo comunque ad uguale concentrazione di H+ e OH-: per misurare la concentrazione idrogenionica delle soluzioni sciolte in acqua in chimica si è creata quindi una scala arbitraria che misura valori da 1 a 14 espressi con la sigla del Ph: • Al valore 7 corrisponde equilibrio, quindi una soluzione neutra in cui H+ e OH- sono pari. • I valori verso lo 0 sono propri di soluzioni sempre più acide, in cui aumenta la concentrazione di H+ • Verso il 14 avremo soluzioni basiche che hanno maggior numero di OH-. I composti organici, così chiamati perchè una volta si pensava fossero presenti solo negli esseri viventi, sono costituiti da catene di atomi di carbonio legati da legami covalenti. Nella prolina il carbonio e l’azoto fanno parte di una struttura ciclica, quindi rigida: in una catena polipetidica non si può ruotare attorno al legame C-N, e le possibili conformazioni sono limitate. La struttura Beta è particolarmente stabile nel caso di catene con amminoacidi legati a radicali poco ingombranti come glicina e alanina 3. Struttura terziaria= è il risultato della sucessione apparentemente disordinata degli amminoacidi, ciascuno con diverse proprietà chimico-fisiche, il cui susseguirsi “irregolare” lungo al catena impedisce che essa habbia un struttura regoare per tutta la propria lunghezza, raggomitolandosi in modo diverso da proteina a proteina: La struttura terziaria delle proteine è tipica delle proteine globulari 4. Struttura quaternaria= solo alcune proteine l’hanno, quelle costituite da più di una catena polipeptidica, dette proteine oligomeriche. I monomeri sono rappresentati dalle singole catene polipetidiche chiamate in questo caso subunità, che possono essere tutte uguali o diverse (come nell’emobglobina). Ciascuna catena si ripiega su se stessa fino ad assumere la propria struttura terziaria, poi si associano tra loro. La struttura quaternaria è come si associano tra loro. • Acidi nucleici = gli acidi nucleici sono macromolecole di memoria, che presiedono alle funzioni di conservazione, trasmissione ed attuazione dei programmi genetici negli organismi viventi. Sono l’Acido Deossiribonucleico (DNA) ed Acido Ribonucleico (RNA). • Sono eteropolimeri di cinque tipi di unità monomeriche definite nucleotidi. • Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero a cinque atomi di carbonio (pentoso), da una base azotata eterociclica e da un residuo di acido ortofosforico. • Entrambi i pentosi sono nelle loro forme chiuse. In relazione alla natura del pentoso i nucelotidi del DNA e dell’RNA sono definiti deossiribonucleotidi o ribonucleotidi, infatti: • Nel DNA il pentoso è un deossiribosio. (non ha gruppo ossidrilico legato al 2° carbonio) • Nell’ RNA il pentoso è un ribosio. (ha il gruppo ossidrilico legato al 2° carbonio) • Le basi azotate sono la componente variabile del nucleotide: derivano dagli anelli eterociclici della piramidina (anello a sei atomi) o della purina (anello a nove atomi) • Le basi azotate sono la componente variabile del nucleotide: derivano dagli anelli eterociclici della piramidina (anello a sei atomi di azoto e carbonio ) o della purina (anello a nove atomi). Dall’anello della piramidina le basi piramidiniche, dall’anello della purina le puriniche • Puriniche = Adenina (A) e Guanina (G) • Piramidiniche = Citosina (C ), Timina (T) e Uracile (U) • RNA e DNA contengono ciascuno 2 basi puriniche e due piramidiniche: • DNA = Adenina e Guanina (purine) e Citosina e Timina (piramidine) • RNA = Adenina e Guanina (purine) e Citosina e Uracile (piramidine) In sostanza , DNA ed RNA differiscono per la natura del pentoso (rispettivamente deossiribosio e ribosio) e per la presenza della Timina nel DNA e dell’Uracile nell’RNA. Raramente, oltre a queste basi gli acidi nucleici possono contenere proporzioni variabili di alcune basi rare, overo basi convenzionali modificate da mutazioni,riarrangiamenti oppure ancor più raramente da una base purinica non convenzionale, l’ipoxantina. • Nel nucleotide zucchero ed ortofosfato sono legati: • Da un legame estere tra 5 atomo di carbonio del pentoso e acido fosforico. • Da un legame N-glicosidico tra 1 atomo di carbonio del pentoso e base azotata • Se consideriamo solo il pentoso legato alla base avremo i nucleosidi: ecco quelli corrispondenti alle quattro basi per DNA e RNA: la differenza tra uracile e timina è molto piccola, nell’uracile manca un gruppo metilico laterale in posizione C5 • DNA = (deossiribonuleosidi) deossiadenosina, deossiguanosina, deossitimidina • RNA = (ribonucleosidi) adenosina, guanosina, citosina, uridina. • La molecola del DNA è costituita da due emieliche destrorse ed antiparallele legate tra loro per mezzo di legami idrogeno tra basi puriniche e pirimidiniche. Per la precisione le due catene polinucleotidiche sono unite da legami idrogeno tra due basi azotate che si trovano sullo stesso piano all’interno della doppia elica, costituiendo un nucleo idrofobico compatto formato da coppie di basi impilate intorno al quale si spiralizzano le strutture laterali, fortemente idrofiliche, costituite dagli scheletri di polideossiribosio-fosfato. I legami possono esserci solo tra una purina e una piramidina, ogni altro tipo di appaiamento sarebbe incompatibile con lo spazio disponibile, e questi sono gli appaiamenti : • Adenina con Timina, unite da due legami idrogeno (A=T) • Citosina con Guanina, unite da tre legami idrogeno (C=G) • Quindi i legami vi sono ad ogni livello della doppia elica, ogni volta che è presente l’adenina in una catena e la timina sull’emielica opposta e viceversa, ed ogni volta che vi sono citosina e guanina. Per ogni molecola di DNA i rapporti A/T e G/C sono uguali a 1. • Le catene polinucleotidiche sono antiparallele in quanto i legami fosfodisterici che uniscono i pentosi hanno polarità opposte. Ad ogni estremità di una doppia elica lineare il nucleotide terminale 5 di una emielica si confronta con il nucleotide ternimale 3 della emielica opposta. • Il DNA svolge al funzione di conservare il progetto per la sintesi di ciascuna delle diverse migliaia di catene polipeptidiche che cosittuiscono il repertorio proteinco di ogni essere vivente. Ad ogni catena polipetidica corrisponde un segmento di doppia elica (gene) nella cui sequenza nucleotidica è memorizzate l’informazione per la sequenza amminocidica della proteina. • La funzione di attuazione del progetto è svolta dall’azione intermediaria dell’RNA, che traduce il programma scritto a quattro lettere del DNA nel linguaggio a venti lettere delle proteine, tramite il meccanismo della trascrizione e poi della traduzione. Abbiamo: • RNA traducibile (RNA Messaggero, mRNA) che presiede al meccanismo di traduzione e determina la sequenza degli amminoacidi della proteina nascente. Ha struttura ad un unico filamento. • RNA non traducibile (RNA transfer, tRNA e RNA ribosomiale,rRNA). Gli tRNA hanno struttura detta a trifoglio, che in realtà è una forma tridimensioanle a L rovesciata, frutto dell’avvolgimento di un unico filamento. Gli tRNA costituiscono una classe eterogenea di molecole ciascuna capace di legare uno specifico tipo di amminoacido nel terminale 3 e di una tripletta di basi detta anticodon (nell’ansa dell’anticodon) tramite cui si fissa con legami idrogeno ad una tripletta complementare (codon) dell’RNA messagero, correlata all’amminoacido secondo le regole del codice genetico. • Gli rRNA sono componenti strutturali che associati a definite proteine costituiscono gli assemblati nucleoproteici detti ribosomi. Ogni rRNA ha struttura golbulare derivante dall’avvolgimento di unico filamento. Struttura del tRNA a trifoglio Organizzazione della cellula Gli organismi sono distinti in procarioti ed eucarioti, siano essi animali o vegetali, in base alla struttura cellulare. Tutti gli organismi, uni o pluri celllulari sono formati da celluel che presentano : • Una membrana esterna (plasmatica) • Un sistema di membrane interno detto reticolo endoplasmatico • Un nucleo delimitato da una membrna nucleare • Particolari formazioni che cosituiscono gli organuli citoplasmatici Analizziamo i vari componenti: La membrana plasmatica delimita la cellula e ne regola i rapporti con l’ambiente, modula gli scambi con l’esterno e aderisce a substrati solidi o altre cellule, sede della specificità immunologica ed è coinvolta nella divisione cellulare. Fatta per il 30% da lipidi (fosfolipidi), il 70% circa da proteine e 1-2% da glicoproteine (glucidi legati a proteine): è un doppio strato fosfolipidico dove “galleggiano” le proteine. I lipidi sono la fosfatidilcolina e la sfingomielina sull’esterno, la fosfatidiletanolamina e la fofosfatidilserina nella parte interna. Inoltre, soprattutto all’esterno, è presente colesterolo che provvede sia alla fluidità che alla compattezza della membrana. Le proteine di membrana sono distinte in : • Intrinseche = che attraversano completamente il doppio strato fosfolipidico • Estrinseche = che sono sulla faccia all’esterno o quella all’interno • Glicoproteine = che emergono dalla faccia esterna con il loro gruppo glucidico a cui sono legate. Il Nulceo è un corpo sferico delimitato da membrana al cui interno si trova la cromatina (materiale variamente strutturato, di solito a “zolle” ) una parte amorfa detta nucleoplasma e un corpicciolo rotondo chiamato nucleolo. Sulla membrana nucleare ci sono i pori nucleari, canali rivestiti da proteine che permettono al nucleo di comunicare con il citoplasma, lo spazio tra la membrana plasmatica e quella nucleare. . Nel citoplasma vi sono diverse strutture immerse in un materiale amorfo chiamato ialoplasma , e in particolare tra questi organuli citoplasmatici che intervengono nelle funzioni principali della cellula: I componenti del sistema vacuolare che comprende: • Il reticolo endoplasmatico rugoso = il RER consiste di cavità delimitate da membrane la cui faccia verso lo ialoplasma è ricoperta di ribosomi , utili nella sintesi proteica. Il RER molto sviluppato nelle cellule a grande attività di sintesi proteica. • Il reticolo endoplasmatico liscio = il REL è un intricato sistema tridimensionale di cavità tubulari delimitate da membrane interconnesse. Assume strutture diverse a seconda dei tipi cellulari e svolge funzioni diverse, partecipando a molti processi metabolici • L’apparato del Golgi = costituito da sacculi appiattiti , paralleli , con in direzione periferica una serie di vescicole. I sacculi prendono un aspetto semilunare con un lato convesso verso il nucleo, e uno concavo verso la membrana plasmatica. La faccia convessa è collegata con il reticolo endoplasmatico rugoso, che gli invia le proteine sintetizzate, le quali scorrendo tramite i sacculi arrivano al lato concavo, ove vi sono vescicole che si fondono con la membrana plasmatica, ed escono dalla cellula. Oltre ai componenti del sistema vacuolare ci sono altri organuli nel citoplasma: • Lisosomi e Perossisomi = organuli circolari circondati da membrane sono distinti per momenti funzionali: quando contengono enzimi idrolitici sono lisosomi , quando enzimi ossidativi sono chiamati perossisomi. • Mitocondri = presenti in tutte le cellule eucariotiche, hanno forma bastoncellare che cambia continuamente così come la posizione. Costituiti da due membrane: quella esterna liscia (60% proteine-40% lipidi) che presiede agli scambi con l’esterno, quella interna (quasi solo proteine e pochi lipidi) che si solleva a formare creste (mitocondriali), in cui vi è trasporto di elettroni, fosforilazione ossidativa in rapporto con la matrice. Tra le due membrane lo spazio intermembrana. Lo spazio interno alla membrana interna è chiamato matrice mitocondriale, , sede del Ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs) e la Beta ossidazione degli acidi grassi. La membrana plasmatica oltre a delimitare la cellula, assicura la corretta composizione dei liquidi intracellulari, tramette/riceve segnali e aderisce alle superfici extracellulari e alle cellule vicine. Gli scambi tra l’interno e l’esterno della cellula coinvolgono atomi, ioni e molecole. Bisogna partire dal concetto di pressione osmotica: se prendiamo un tubo a U diviso a metà da una membrana e mettiamo da una parte soluto (zucchero ad es.) e dall’altra solvente (acqua) vedremo che la membrana, essendo permeabile al solvente lo lascia passare: l’acqua raggiunge lo zucchero e lo scioglie , con innalzamento del livello dalla parte del soluto: la pressione che bisogna opporre per mantenere il livello invariato è la pressione osmotica. La cellula usa particolari molecole che durante la respirazione acquistano gli elettroni da reazioni redox, e si riducono acquistando energia : NAD+ (forma ossidata) NADH (forma ridotta) FAD+ (forma ossidata) FADH2(forma ridotta) Le cellule quindi son in realtà macchine metaboliche ove si accoppiano reazioni cataboliche ed anaboliche, e ceh necessitano di continua energia dall’esterno , poichè nelle trasformazioni vige il II principio della termodinamica. Per ottenere energia da immagazzinare la cellula demolisce il glucosio proveniente dall’alimentazione utlizzando un processo anaerobico (asenza di ossigeno) che si chiama Glicolisi , e successivamente demolendo i prodotti con il Ciclo di Krebs. Questa complessa serie di reazioni ci dà : Tale reazione riassume una serie di processi : il glucosio (C6H12O6 ) viene demolito a due molecole di acido piruvico tramite reazioni che avvengono nel citoplasma. La glicolisi fà intravedere una strategia che ha lo scopo di estrarre più energia possibile: nella prima fase si ottengono due prodotti a tre atomi di carbonio che sono isomeri: il Didrossaicetone fosfato e la Gliceraldeide 3 fosfato: essendo isomeri sarà semplice trasformarli uno nell’altro senza dispendio di energia, ed avremo così numero doppio di componenti dai quali estrarre energia: entrambi vengono dalla scissione del Fruttosio 1-6 difosfato, ma andiamo con ordine: il Glucosio viene fosforilato con dispendio di una molecola di ATP, in Fruttosio 6 fosfato, a sua volta fosforilato con un altra molecola di ATP in Fruttosio 1-6 difosfato, scisso in Didrossaicetone fosfato e Gliceraldeide 3 fosfato. Essendo isomeri, non è necessaria energia per trasformare il Didrossaicetone fosfato in Gliceraldeide 3 fosfato, quindi ci troviamo ora con due molecole da cui estrarre energia! Le due molecole di Gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due di 1,3-difosfoglicerato, tramite reazione redox in cui si ha cessione ed acuisto di elettroni e traferimento di energia : due NAD+ acquistano gli elettroni dalle due molecole di Gliceraldeide-3-fosfato , acquisendo nel contempo energia e diventando 2 NADH (che partecipano alla respirazione). Le due molecole di 1,3-difosfoglicerato perdono ciscuna un gruppo fosfato diventando 3-fosfoglicerato e quindi 2-fosfoglicerato. La prima reazione libera energia immagazzinata sintetizzando ATP. Successivamente le due molecole di 2-fosfoglicerato vengono trasfromate in fosfoenolpiruvato e quindi Piruvato. Quest’ultima trasfromazione libera energia, nuovamente inmmagazzinata sintetizzando ATP. All a fin fine, da una molecola di Glucosio si ottengono due di Piruvato: nella prima fase si spendono 2 molecole di ATP, ma nella sconda si generano 2 passaggi con liberazione di energia: essendo ogni passaggio applicato a due molecole di Gliceraldeide-3-fosfato, si hanno 4 moleocle di ATP, con un guadagno netto di 2 ATP dalla Glicolisi. Inoltre abbiamo produzione di due NADH. Nelle cellule Eucariotiche , le due molecole di Piruvato vengono trasferite nei Mitocondri e trasformate in Acetil coenzima A, tramite reazione redox che trasferisce elettroni ed energia a due NAD+ che si riducono a 2 NADH (i quali partecipano al bilancio energetico della respirazione) Il Ciclo di Krebs Serie ciclica di reazioni , di parte dall’ossalacetato e vi si ritorna alla fine. Si svolge nella matrice mitocondriale, sulla cui faccia interna della membana si trovano gli enzimi necessari. Le due molecole di acetil coenzima A , reagendo con due ossalacetato formano due molecole di citrato e quindi due molecole di isocitrato, a loro volta trasformate in 2 molecole di Alfa-chelogutarato: quest’ultimo passaggio è una reazione redox in cui elettroni ed energia trasferiti a due molecole NAD+ per avere due NADH (che come al solito partecipano al bilancio energetico della respirazione). Le due molecole di Alfa-chelogutato vengono trasformate in succinil coenzima A con una reazione redox che libera energia trasferita a due NAD+ che si tramutano in NADH (partecipano al bilancio energetico respirazione). Le due molecole di succinil coenzima A diventano poi Succinato: questa reazione libera energia che serve a sintetizzare 2 molecole di GTP che forniscono l’energia per sintetizzare 2 ATP. Le molecole di Succinato vengono trasformate in Fumarato con reazione redox che fornisce energia a due FAD+ che si riducono in FADH2 (partecipano al bilancio eneregetico respirazione). Il Fumarato diventano Malato che con redox diventano Ossalacetato liberando elettroni ed energia trasferiti a due NAD+ che si riducono in NADH (partecipano bilancio energetico respirazione). Il Ciclo di Krebs è così completo : da tenere presente che non si interrompe mai, quindi l’ossalacetato reagirà di nuovo con Acetil Coenzima A ecc... Dal Glucosio iniziale avremo quindi il seguente bilancio energetico: Il guadagno non è enorme in termini di ATP, ma si sono ottenute anche 10 NADH e 2 FADH2, che serviranno per sintesi di ATP tramite la catena di trasporto degli elettroni o fosforilazione ossidativa che avviene nelle creste mitocondriali formate dalla membrana mitocondriale nel cui doppio strato fosfolipidico sono inseriti cinque complessi proteici: Complesso I, II, III,IV e Complesso ATP Sintasi. Siccome la reazione ADP+Pi F 0 E 0ATP richiede energia, la cellula sfrutta quella trasferita in NADHe FADH2 utilizzando le proprietà del Complesso ATP Sintasi , capace di sintetizzare ATP da ADP e Pi traendo energia da altre proteine del complesso dotate di movimento, come un mulino a pale: questo “mulino” è mosso da una corrente di protoni che devono quindi trovarsi nello spazio intermembrana, essendo ”pompati fuori“ dalla matrice: ci vuole quindi un sistema che realizzi questo gradiente protonico nell’intermembrana, facendo poi tornare costantemente i protoni nella matrice tramite l’ATP sintasi, capace di sisntetizzare ATP. Questo sistema è realizzato dalle molecole di NADH e FADH2 , che si trovano nella matrice mitocondriale (tranne i due NADH risultanti dalla Glicolisi, che vi entrano): queste molecole si trovano nello strato ridotto, e possono cedere elettroni e protoni e una certa quota di energia: Il NADH cede un elettrone al Complesso I , che lo cede al II, che lo cede al III, che lo cede al IV, instaurando quindi un flusso direzionale di elettroni tramite una serie di reazioni redox la cui energia viene utlizzata per pompare i protoni nello spazio intermembrana contro il loro gradiente. Il FADH2 a sua volta fà lo stesso, ma saltando il primo passaggio e cedendo direttamente al Complesso II, con altre tre reazioni redox fino al Complesso IV, con energia sempre utilizzata per pompare protoni. Dunque abbiamo un sistema che pompa i protoni, ma per garantire un elevato gradiente protonico nello spazio intermembrana bisogna continuamente pompare i protoni che rientrano attraverso l’ATP Sintasi nella matrice: la respirazione immette continuamente Ossigeno che portato all’interno della cellula viene trasformato in H2O tramite redox catalizzata dal Complesso IV, che è il donatore degli elettroni , con conseguente disponibilità di energia che servirà apompare un altro protone nello spazio intermembrana. L’Ossigeno può essere considerato l’accettore finale del trasporto che va dal Complesso I al IV dino , appunto all’Ossigeno. Ogni molecola di NADH produce 3 ATP e ogni FADH2 due ATP. Il bilancio complessivo della demolizione di una molecola di Glucosio è pari a 38 ATP. Alcune cellule producono 36 ATP perchè i 2 NADH provenienti dalla glicolisi per portarsi nella matrice devono affidarsi ad una “proteina carrier” che spende un ATP per ogni molecola di NADH trasportato Quelle che producono 38 ATP invece hanno un meccanismo di scambio protoni ed elettroni tra NADH esterni e NAD+ interni al mitocondrio. Gli organismi pluricelluari devono assolvere , dal punto di vista cellulare a tre compiti foindamentali: 1. Differenziare le cellule secondo la specifictà necessaria alla condizione di organismo pluricellulare 2. Mantenere una sincronia di replicazione cellulare (non pososno replicarsi indipendentemente) 3. Riproduzione dell’organismo (non di una cellula singola ma di tutto) Se consideriamo una cellula eucariotica, essa alterna momenti di replicazione DNA e momenti di divisione cellulare: questo alternarsi è chiamato Ciclo cellulare. Tutte le cellule eucariotiche raggiunta una certa dimensione devono diversi o arrestare lo sviluppo: non tutte però si dividono, per esempio le cellule nervose e gli eterociti, raggiunta la maturità smettono di dividersi. Altre sono caratterizzate da un proprio ciclo vitale. Il Ciclo cellulare è diviso in : • Mitosi = fase di divisione nucleare • Interfase = fase di replicazione DNA. Se consideriamo una cellula diploide (si definisce corredo cromosomico diploide il corredo aploide della specie rappresentato due volte, e si definisce 2n) , questa andra incontro a mitosi che produrrà due cellule figlie diploidi , entrambe con corredo cromosomico uguale alla cellula madre: ciò chce permette di ottenere due diploidi da una sola è appunto la mitosi , divisa in quattro fasi, in cui i cromosomi, costituiti da DNA e particolari proteine, sfruttano la loro capacità di spiralizzarsi e despiralizzarsi a seconda dei momenti funzionali : in altro modo potremmo vedere il cromosoma come due cromatidi unite da un centromero, ma vediamo come si duplica in mitosi: 1. Profase = i vari filamenti (il cromosoma è fatto da doppio filamento di DNA) aumentano di spessore a causa della spiralizzazione crescente: il nucleo perde consistenza mentre la membrana nucleare permane. I centrioli, che erano addossati nel citoplasma alla membrana, si allontanano per dirigersi ai poli opposti, mentre si mettono in evidenza delle fibre (del fuso) che poi percorreranno tutti il citoplasma da un centriolo all’altro 2. Metafase = si dissolve la membrana nucleare, scompaiono i nucleoli mentre l’apparato del fuso ha completato la sua formazione. I cromosomi sono molto contratti e bene evidenti le regioni dei scentromeri che tengono insieme i cromatidi fratelli: a seguito dell’interazione cone le fibre del fuso i cromosomi si dispongono in cerchio sul piano equatoriale della cellula. 3. Anafase = Dal termine della metafase i cromosomi si despiralizzano ed idratano: in anafase le zone centromeriche mostrano una scissione longitudinale, e quindi i due cromatidi migrano verso poli opposti (anafase avanzata) per permettere una futura equa distribuzione di materiale genetico alle figlie. 4. Telofase = Comincia la ricostruzione della membrana nucleare attorno ai due nuovi assetti cromosomici , che si completa quando i filamenti cromosomici non sono più visibili e ricompaiono i nucleoli. Quindi si ha anche la ripartizione di materiale citoplasmatico. La separazione delle due cellule è dovuta a filamenti di actina che formano un anello contrattile nella regione della strozzatura. Dopo la mitosi , la cellula passa all’interfase in cui sono prevalenti i meccanismi di sintesi citoplasmatiche e nucleari: terminata la Telofase inizia il periodo detto G1 (Gap 1 o primo intervallo) , e quindi un periodo S di sintesi durante il quale i cromosomi si replicano ed avviene la sintesi del DNA. Al termine di questo periodo la cellula ha nuovamente 2n cromosomi dicromatidici. Comincia dunque il periodo G2 (gap 2 o secondo intervallo) che dura fino alla prossima Profase mitotica. Durante G1 e G2 avviene la sintesi di tutte le proteine necessarie alla cellula, mentre in S vi è solo sintesi di DNA, degli istoni e delle proteine acide associate ai cromosomi. Alcune cellule (neuroni, leucociti polimorfonucleati ecc) dopo l’ultima divisioni mitotica non rientrano più in ciclo cellualre e terminano la loro esistenzza in G2. Altre invece (cellule del fegato, rene, linfociti B e T) possono uscire temporaneamente dal ciclo e rimanere in fase G0 sino a quando un appropriato segnale non le riporta in G1. La frequenza di divisione cellulare varia a seconda dei tessuti e tra le specie. Il ciclo cellulare è controllato da molecole di regolazione e specifici stadi di controllo, il cui imperfetto funzionamento ha spesso effetti disastrosi. Tra le diverse molecole di rgolazione vi sono le protein-chinasi che regolano le altre proteine tramite la fosforilazione: le protein-chinasi sono varie, e quelle ciclina-dipendenti (CdK, attive solo quando sono complessate da proteine chiamate cicline) sono le specifiche che controllano la divisione cellulare. Detto della mitosi, passiamo alla Meiosi, processo che consiste nella riduzione del corredo cromosomico alla metà, passando da diploidia (2n) ad aploidia (n): questo consente al momento della fecondazione di conservare il corredo tipico della specie (cariotipo) evitando che nel passaggio da una generazione all’altra si duplichi all’infinito. Con il termine meiosi zigotica si intende il processo che interviene subito dopo la fecondazione: tramite due divisioni meiotiche si arriva da uno zigote diploide a quatto cellule aploidi che successivamente si divideranno per mitosi: ad un certo momento del ciclo vitale alcune di queste si differenziano in gameti di sesso opposto che fecondandosi, portano alla formazione di uno zigote che si divide, come detto per meiosi. Tale processo avviene in alcuni protozoi ed in parecchie piante inferiori che hanno solo lo zigote diploide mentre l’organismo che ne deriva ha un corredo aploide (individui aplonti). La meiosi che riguarda gli esseri umani , invece, come detto passa attraverso due divisioni cellulari: la prima dimezza i cromosomi, nella seconda si separano i cromatidi, dando luogo a quattro cellule aploidi. Come per la spermatogenesi, l’ipotalamo secerne deiversi ormoni tra i quali il GnRH (fattore di rilascio delle gonadotropine) che stimola le cellule gonadotrope dell’ipofisi a produrre FSH e LH. L’FSH a sua volta stimola la produzione di estrogeni da parte delle cellule follicolari che circondano la ovocellula. Gli estrogeni si accumulano nel liquor follicoli ed arrivano al massimo di concentrazione verso il 13 giorno: il loro aumento nel plasma attraverso una serie di complessi meccanismi a feedback , rallenta la produzione di GnRH e FSH e aumenta la secrezione di LH, che provoca la maturazione del follicolo con conseguente rottura della sua parete ed espulsione della ovocellula. Questa fase è chiamata fase follicolare, cui ne segue una detta luteinica. Durante la fase leutinica il follicolo rotto si rimargina e si trasform in corpo luteo che sotto l’azione dell’LH continua a produrre estrogeni e secerne un ormone steroideo , il progesterone, che tramite feedback negativo sull’ipotalamo ed ipofisi rallenta la secrezione di gonadotropine. Se l’ovocellula non viene fecondata , il corpo luteo si mantiene attivo per circa 14 giorni, dopodichè cessa la produzione di progesterone e quindi ccade il blocco della secrezione ipotalamica e ipofisiaria e si instaura un nuovo ciclo ovarico. Uno solo dei follicoli stimolati giunge a maturazione: gli altri vanno incontro ad atresia: probabilmente esiste un meccanismo a feedback che impedisce l’ulteitore sviluppo quando uno di essi comincia lo sviluppo. Gli estrogeni oltre a stimoalre le cellule della mucosa uterina (endometrio) sono responsabili del controllo e sviluppo dei caratteri sessuali secondari femminili (seno, ossa del bacino, peli sul pube e ascelle). Parallelamente al ciclo ovario, l’utero và incontro a modifiche di cui sono responsabili gli estrogeni e il progesterone, nel cosiddetto ciclo uterino, che è divisibile in fasi distinte: 1. Nella fase proliferativa, parallelamente all’inizio del ciclo ovarico, aumentando gli estrogeni nel plasma, la cellule della mucosa uterina cominciano a proliferare per cui l’endometrio diviene spesso ed iperemico 2. Successivamente, nella fase secretiva, l’endometrio si conserva ipertrofico anche dopo la rottura del follicolo, grazie alla secrezione di progesterone e estrogeni da parte del corpo luteo: in tal modo la mucosa uterina è preaprata ad accogliere l’ovocellual fecondata, che intanto si è sviluppata in blastocisti (annidamento) 3. Nel caso la ovocellula non sia fecondata, il corpo luteo cessa di secernere progesterone, la mucosa uterina riduce il suo spessore e si sfalda: quindi le cellule sfaldate, il sangue e l’ovocellual non fecondata vengon espulse tramite la vagina (flusso mestruale). La riproduzione può essere: • Asessuata = singolo individuo produce uno o più individui identici a sè • Sessuata = produzione e fusione reciproca di gameti , spermatozoi e cellule uovo, che fecondato dà origine allo zigote. Duplicazione del DNA Per replicarsi gli organismi deovno fornire alla nuova generazione iil proprio corredo genico ma anche mantenerlo per sè: necessaria quindi ad ogni riproduzione la duplicazione del materiale genetico , con ogni nuova molecola identica all’originale: per fare ciò i due filamenti devono separarsi e disposti alla DNA polimerasi. Come osservato al microscopio ciò avviene tramite la formazione di una forcella di replicazione nel punto ove avanaza la replicazione del DNA. Proteine enzimatiche denominate elicasi si attaccano alla doppia elica e la dividono , facilitate in questo dal fatto che i siti di origine ove comincia tale processo sono perlopiù formati da coppie AT, ed hanno quindi minore stabilità dei legami idrogeno tra le basi. Una volta che i filamenti sono separati, intervengono delle proteine chiamate di svolgimento che impediscono il ricongiungimento. Siccome gli enzimi DNA polimerasi (enzimi che catalizzano la replicazione del DNA) non sono capaci di polimerizzzare i deossiribonucleotidi se non legano il 5° gruppo fosfato al 3’OH di un filamento esistente (ovvero possono aggiungere nucleotidi ad un filamento esistente ma non sintetizzarne uno ex-novo), la sintesi del filamento di DNA avviene tramite un innesco di RNA, che viene successivamente rimosso. L’enzima RNA polimerasi (RNA polimerasi DNA dipendente) polimerizzza ribonucleotidi su stampo di DNA, e non ha bisogno di innesco. Vi è un singolo sito cromosomico, definito origine di replicazione da cui prende via il processo. A livello dell'origine di replicazione, la doppia elica si apre e la replicazione inizia su entrambi i filamenti. Man mano che la replicazione procede,la forcella replicativa (il sito in corrispondenza del quale avviene la replicazione) si muove lungo il DNA: uno dei due filamenti , detto a replicazione progressiva (in inglese filamento leading, filamento guida), viene sintetizzato in modo continuo. L'altro, detto a replicazione regressiva (filamento lagging, lento), man mano che la replicazione avanza è costretto ad interrompere la DNA polimerasi: bisognerà quindi riformare un primer a monte di tale filamento per consentire la duplicazione di un altro tratto. In altre parole, ogni volta che la forcella proceede nella sua direzione, un nuovo primer dovrà essere sintetizzato dalla parte dell’emielica che ha una duplicazioen contraria all’apertura della doppia elica. I primer, come detto, vengono rimossi ed avremo come prodotto di tale processo: • una emielica duplicata, • una altra emielica costituita da tanti frammenti generati dalla rimozione di altrettanti primer. Tali frammenti sono chiamati di Okazaki, dal nome dello scopritore del meccanismo. L’unione dei diversi frammenti è poi operata dall’enzima polinucleotide ligasi, capace di formare un singolo legame fosfodiestere fra i terminali 3’OH e 5’ fosfato di due filamenti DNA contigui, ricavando l’energia necessaria dall’idrolisi di una molecola di ATP. I nucleotidi erroneamente inseriti nel filamento copiato sono rimossi dall’attività econucleasica 3’-5’ presente nella DNA polimerasi III che funge da correttore di bozze. La meccanica dello svolgimento della doppia elica comporta la formazione a valle di superavvolgimenti del DNA in spire sempre più strette: queste potrebbero dare tensioni dovute alle torsioni: per prevenire danni gli enzimi chiamati Topoisomerasi introducono talgi sui filamenti di DNA: la Topoisomerasi I è in grado di tagliare un filamento solo, la II entrambi i filamenti. Organizzazione della DNA nella cellula Una cellula ha mediamente un diametro di 20micrometri, ed il suo materiale genetico, raggruppato in 23 coppie di cormosomi deve essere contenuto in un nucelo che ha circa diametro di 5 micrometri . Perchè il Dna ci stia, deve essere avvolto intorno a “rocchetti” proteici detti nucleosomi , “impacchettati” a formare un filamento elicoidale disposto in anse associate alla matrice nucleare , impalcatura proteica che funge da intelaiatura all’interno del nucleo. Durante l’interfase tra due divisioni cellulari , il DNA nel nucleo di una cellula eucariotica si trova in forma di un complesso nucleoproteico detto cromatina, le cui proteine rientrano in due classi: istoni (abbondanti) e proteine cromosomiche non istoniche (poche) . Gli istoni sono proteine piccole, con abbondanza di cariche positive, ricche in arginina o lisina, che interagiscono tramite legami ionici coi gruppi fosfato carichi negativamente dello scheletro polinucleotidico. Sono noti cinque istoni differenti: H1, H2A, H2B, H3 ED H4. Coppie di istoni H2A, H2B,H3 ed H4 si aggregano per formare una struttura ottamerica, il nocciolo del nucleosoma, introrno al quale si avvolge la doppia elica del DNA. Regolazione dell’espressione genica La cellula ha bisogno di regolare l’espressione dei propri geni non solo dal punto di vista quantitativo, ma ma anche del funzionamento, poiché in ciascun momento del ciclo cellulare sono attivi solo i geni utili al presente stato funzionale , mentre gli altri sono disattivati. • Negli eucarioti controllo della trascrizione, controllo sull’mRNA che matura, traduzione ed attivazione proteine. • Nei procarioti essenzialmente sulla trascrizione. I geni dei procarioti, quando hanno un azione coordinata, si uniscono a formare gli Operoni, gruppo di geni contigui sotto il controllo dello stesso promotore. Due tipi di operoni: • Catabolici = codificano enzimi per utilizzare certi substrati nutritivi. Sono in genere inducibili, cioè si attivano solo in presenza del substrato • Anabolici = codificano enzimi utili nella sintesi di composti per la crescita cellulare. Sempre attivi, a meno che non sia presente il composto che producono, nel qaul caso diventano reprimibili: è dovuto al meccanismo di “risparmio energetico” della cellula che, quando ha il composto finale necessario alla propria crescita, reprime il gene. Un ottimo esempio è l’ Operone Lattosio (Lac Operon) , catabolico, inducibile, rappresenta il capostipite essendo stato il primo ad essere studiato nei meccanismi di regolazione genica dei procarioti. E’ un segmento di DNA composto da un promotore che regola tre geni : Z, Y, ed A. Questi tre geni regolano la Galattosidasi, la Permeasi, e la Acetilasi, enzimi che intervengono nel catabolismo del Lattosio. La Galattosidasi scinde la molecola del Lattosio in una di Glucosio ed una di Galattosio La Permeasi facilita l’ingresso del Lattosio nella Cellula Batterica. L’Acetilasi non si sà bene cosa faccia. Il promotore di questi geni, oltre a contenere delle sequenze caratteristiche dei promotori (es. TATA box) contiene una sequenza detta Operatore subito prima dei tre geni codificanti, ed una sequenza definita sito CAP dalla parte opposta. Prima del sito CAP un altro gene con proprio promotore che codifica una proteina chiamata Repressore. La cellula utilizza il Lattosio come fonte di energia. • In mancanza di Lattosio, viene sintetizzata la proteina Repressore che si lega al sito Operatore, stabilizzando una struttura a croce che impedisce il passaggio della RNA Polimerasi: i tre geni quindi non codificano. • Quando è presente nella cellula batterica il Lattosio in certa concentrazione, interagisce con il Repressore che non riesce più a distinguere l’Operatore. • L’RNA Polimerasi , senza ostacoli, comincia a trascrivere i tre geni. • Uno dei tre geni codifica la Permeasi, che facilita l’ingresso del Lattosio , configurando una sorta di regolazione a Feedback positivo. • Con alte concentrazioni di Lattosio all’interno della cellula, l’apparato del LAC Operon deve funzionare al massimo, quindi interviene la proteina CAP che si lega al sito CAP facilitando l’ingresso della RNA Polimerasi. • La proteina CAP si attiva solo con alte concentrazioni di cAMP, a sua volta regolato da cataboliti della Glicolisi: in presenza di Glucosio i livelli di cAMP scendono, CAP non viene attivata e RNA Polimerasi si lega all’Operone con difficoltà. Sul DNA sono registrate le strutture primarie (sequenze di amminoacidi) di tutte le proteine sotto forma di triplette di basi (codon). La messa in pratica delle sequenze di codon è la Sintesi Proteica. I meccanismi di attuazione sono complicati dal dover trasformare una sequenza di nucleotidi in sequenza amminoacidica e dal fatto che tale processo deve essere regolato decidendo quando e cosa sintetizzare, indipendentemente dagli altri geni. Le cellule, sia procarioti che eucarioti, risolvono tale complessità usando un altro tipo di Acido Nucleico, L’RNA, che funge da intermediario tra i geni e le proteine. L’RNA viene sintetizzato come il DNA: in corrispondenza del gene da trascrivere, le due catene della doppia elica si separano ed una funge da stampo per la sintesi di mRNA, la cui sequenza di basi sarà complementare a quelle del DNA stampo. Ciascuna molecola di mRNA è copia di un certo gene, quindi è capace di specificare una determinata proteina. L’enzima che presiede la trascrizione è la RNA Polimerasi, che nelle cellule eucariote è di tre tipi: 1. RNA Polimerasi I = contenuta nel nucleolo, controlla la sintesi dell’rRNA 2..etraslocazione = Una volta formatosi il legame, il tRNA nel sito P, ormai scarico, viene espulso. Nel contempo tutto il ribosoma si sposta di una tripletta verso il terminale 3’: ciò determina che avrà il sito P occupato dal tRNA che “trasporta due amminoacidi legati tra loro” e il sito A vuoto. Ci si ritrova nella situazione della fase di adattamento, già vista: infatti adattamento, transpeptidazione e traslocazione si ripetono tante volte quante sono le triplette sull’mRNA. Per ogni ciclo delle tre fasi , si forma un nuovo legame peptidico, e la protiena nascente si allunga di un amminoacido, finchè in una fase di traslocazione non viene esposta una delle tre triplette di Stop, ossia UAA, UAG, UGA. Quando una di queste compare nel sito A durante una traslocazione, nessun tRNA sarà disponibile, perchè queste triplette non hanno scondo il codice gentico alcun tRNA corrispondente. 2..f Termine = fase determinata dalla presenza di una delle triplette di Stop: grazie all’attività di Fattori di Termine e di Rilascio, la proteina viene rilasciata, il ribosoma disasssemblato nelle sue due subunità, che riiniziano da capo la sintesi dello stesso filamento di mRNA o vanno a costituire il pool ribosomiale, costituito da tutte le subunità inattive. Durante la traduzione di un mRNA, più ribosomi contemporanemanete leggono lo stesso mRNA: questi ribosomi viaggiano distanziati alla stessa velocità di traduzione: ciò serve sia per maggiore efficenza di produzione, sia per mantenere teso il filamento di mRNA evitando false letture dovute al ripiegamento dell’mRNA stesso. Tutte le cellule di organismi pluricellulari hanno necessità di comunicare tra loro, sia per la regolazione dello sviluppo che per l’organizzazione volta ad associarsi per formare i tessuti, sia per il controllo della propria divisione e crescita. Per le cellule, almeno quelle animali, ci sono tre metodi di comunicazione: 1. Secernere sostanze chimiche che fungono da segnali per cellule distanti 2. Utilizzare molecole segnale, sistemate sulla membrana plasmatica, e comunicare per contatto con le cellule adiacenti 3. Utilizzare giunzioni di tipo GAP per mettere in comunicazione i citoplasma di due cellule in contatto. In particolare ci interessiamo del primo metodo, la secrezione di segnali chimici: vi sono tre strategie di segnalazione chimica: 1. La segnalazione endocrina = cellule endocrine specializzate secernono ormoni che attraverso il ciclo sanguigno raggiungono cellule bersaglio distribuite nell’organismo 2. La segnalazione paracrina = cellule secernono mediatori locali che influiscono solo sulle adiacenti 3. La segnalazione sinaptica = specifica del sistema nervoso, cellule secernono neurotrasmettitori in corrispondenza di giunzioni specializzate dette sinapsi. In tutti e tre i casi, la cellula bersaglio risponde allo specifico segnale extracellulare per mezzo di specifiche proteine chiamate recettori che, dopo aver legato la molecola segnale, danno inizio alla risposta. I recettori possono essere: • Sulla superficie cellulare, nel caso in cui le molecole segnale siano fortemente idrosolubili e quindi incapaci di oltrepassare il doppio strato fosfolipidico della membrana plasmatica. • All’interno della cellula bersaglio, nel citoplasma o nel nucleo, quelli specifici per le molecole segnale idrofobe, capaci di attraversare la membrana palsmatica e/o nucleare. I recettori di superficie a differenza degli intracellulari, non regolano direttamente l’espressione dei geni, ma si limitano a trasmettere attraverso la membrana plasmatici un segnale che viene poi portato da ulteriori segnali intracellulari detti messaggeri secondari La maggior parte dei recettori di superficie è suddivisa in tre classi: •..1 Recettori legati ai canali = canali ionici che si aprono o chiudono in presenza di neurotrasmettitori che cambiano la permeabilità della membrana e quindi il suo potenziale. Recettori legati a risposte veloci, come quelle sinaptiche. •..2 Recettori catalitici = agiscono direttamente come enzimi quando sono attivati da molecola segnale (ligando). Questi recettori sono proteine transmembrana con domini diversi in relazione alla funzione. •..3 Recettori legati alle proteine G = proteine integrali di membrana con un dominio extracellulare che riconosce i ligandi, un domino di membrana che si ripiega sette volte sulla membrana stessa e un dominio intracellulare che riconosce la proteina G. Questi recettori attivano catene di eventi che si riflettono sulla concentrazione di una o più molecole segnale intrcellulari dette messaggeri secondari. Nel meccanismo di traduzione del segnale snon coinvolte più molecole, che a partire dall’attivazione del recettore da parte del ligando, trasferiscono l’informazione molecola a molecola fino ad ottenere risposta. La trasduzione si definisce tale quando al fluire dell’informazione si accoppia una amplificazione , in modo che basse concentrazioni di ligando determinano una risposta ampia ed adeguata allo stato funzionale. Per assicurarsi che la risposta sia prodotta solo per il tempo di interazione tra ligando e recettore, le molecole coinvolte nella trasduzione funzionano un po’ come interruttori molecolari con posizioni di acceso/ spento . Per accendere o spegnere vi sono due soli modi, tramite: • Fosforilazione diretta effettuata dall’ATP tramite un enzima. La successiva defosforilazione spegne. • Legame con GTP, e lo spegnimento è dato dalla capacita della proteina di idrolizzarlo in GTP Le vie di segnalazione che coinvolgono le proteine G sono sostanzialmente due: una è quella definita via del Calcio e l’altra la via dell’AMP ciclico (cAMP). La proteina G è trimerica, costituita cioè da tre subunità: α, β e γ. La α ha la capacità di legare ed idrolizzare il GTP (accendi/spegni). In entrambe le vie segnaletiche, quindi , avremo accensione della proteina G, che attivata dal recettore si disassembla in subunità αβ da una parte e α dall’altra. Nella via cAMP la subunità α , mentre attiva l’adenilato ciclasi e comincia a idrolizzare il GTP che trasformato in GDP ne determina lo spegnimento, e la subunità α si ricongiungerà con βγ a ricostituire una proteina G spenta in attesa dello stimolo successivo. L’adenilato ciclasi è un enzima legato alla parte interna della membrana plasmatica che catalizza la trasformazione dell’ATP in cAMP. Il cAMP è un secondo messaggero che attiva a sua volta un enzima (proteina chinasi) dando luogo ad una cascata di reazioni che portano alla risposta allo stimolo (p.e. l’adrenalina è uno dei ligando ai recettori legati alle proteina G, con rilascio di Glucosio come risposta finale). L’amplificazione è evidente in tale meccanismo quando a fronte di bassa concentrazione di ligando vengono prodotte moltissime molecole di cAMP. Queste molecole di cAMP vengono poi trasformate in AMP da un altro enzima (fosfodiesterasi). Nella via del Calcio la subunità α della proteina G attiva un enzima di membrana (fosfolipasi C) : la concentrazione di Calcio (Ca2) è bassa nel citosol di qualsiasi cellula mentre è molto alto nel fluido extracellulare: questa a causa di pompe per il calcio che lo spingono all’esterno o lo confinano nel reticolo endoplasmatico. Quando un ligando attiva la via del Calcio, la fosfolipasi C è in grado di tagliare un fosfolipide di membrana, il Fosfatidilinositolo , liberando nel citoplasma l’inositolotifosfato (IP3), mentre rimane attacato alla membrana il diacilglicerolo . L’IP3 si lega al recettore per il “canale ionico per il calcio” che si trova sulla membrana del reticolo endoplasmatico, facendolo aprire e facendo quindi uscire il Calcio. Il diacilglicerolo a sua volta attiva un altro enzima di membrana (Protein Chinasi C) che a propria volta fosforila molte proteine cellulari con relative risposte La sopravvivenza degli organismi superiori in un determinato ambiente dipende dalla capacità di rispondere rapidamente a segnali sensoriali. Le risposte includono forme di comunicazione intercellulare diversificate e movimenti muscolari. Non tutti i sistemi sono abbastanza veloci per attivare le risposte sensoriali, ad esempio non lo è il trasporto di ormoni nel flusso sanguigno utilizzato dalle cellule tra loro...gli organismi superiori assolvono infatti a tali compiti di risposta utilizzando gli impulsi nervosi. Nei vertebrati, la produzione e trasmissione di impulsi nervosi è affidata ad una complicata rete neuronale che collega ogni parte dell’organismo con il cervello. Gli stimoli fisici o chimici vengono riconosciuti da proteine recettoriali, che con cambiamenti conformazionali causano cambiamenti dell’attività enzimatica o della permeabilità della membrana. Questi cambiamenti vengono propagati a tutta la cellula e da una all’altra per trasmettere informazioni nell’organismo. I Neuroni sono cellule tipiche del sistema nervoso e trasmettono/ricevono gli impulsi nervosi : hanno lunghe estensioni, e la maggior parte è costituita da tre regioni : • Il corpo cellulare (soma) • l’assone , che termina in piccole strutture chiaamate terminazioni sinaptiche. • i dendriti, strutture ramificate dal corpo cellulare che ricevono gli impulsi e li passano al soma I neuroni sono in collegamento tramite le terminazioni sinaptiche: lo spazio tra una terminazione sinaptica di un assone e l’estremità dendritica del neurone adiacente prende il nome di sinapsi o fessura sinaptica. Negli organismi superiori esistono tre tipi di neuroni: 1. Neuroni Sensoriali = recepiscono i segnali sensoriali sia direttamente che tramite specifiche cellule recettrici e trasferiscono le informazioni agli interneuroni o motoneuroni. 2. Interneuroni = passano i segnali da un neurone all’altro. 3. Motoneuroni = inviano i segnali ricevuti alle cellule muscolari producendo movimento Gli impulsi sono di tipo elettrico, cambiamenti transitori delle differenze del potenziale di membrana attraverso le membrane dei neuroni. Il contenuto intracellulare (citosol) e quello extracellulare differiscono nella concentrazione di alcuni ioni: • Intracellulare = concentrazioni di ioni Potassio (K+) e proteine cariche negativamente • Extracellulare = alte concentrazioni di ioni Sodio (Na+) e di ioni Cloro (Cl-) La membrana plasmatica è sempermeabile e non permette il fluire delgi ioni fino all’equilibrio: questi possono passare solo attraverso specifici canali di membrana, e comunque i meccanismi di trasporto attivi e passivi fanno sì che le cariche non siano distribuite equamente ai due lati della membrana. Gli ioni Potassio tendono a uscire dallo spazio intracellulare, a causa del gradiente di concentrazione ed utilizzando i propri canali che si trovano aperti. Allo stesso modo gli ioni Sodio tendono ad entrare per gradiente di concentrazione. Poichè la membrana è più permeabile agli ioni Potassio che agli ioni Sodio, i primi escono molto più velocemente di quanto entrino i secondi : perciò l’interno della membrana ha riduzione di cariche positive e riamane negativa a causa delle proteine cariche negativamente, mentre l’esterno è carico positivamente: questa differenza di cariche è detta Differenza di Potenziale ed a riposo (Potenziale di riposo) è di -70 mv (millivolt) . Osserviamo lo ione Potassio (K+): è più concentrato dentro la cellula e tende a fuoriuscire per gradiente chimico, ma è ostacolato dalle proteine negative all’interno della cellula che lo attraggono, e dalle sempre maggiori cariche positive fuori che lo respingono, secondo il gradiente elettrico. La sua posizione è quindi determinata da due forze, una lo spinge fuori (gradinete chimico) e l’altra lo mantiene dentro (gradiente elettrico): lo stato di risposo dato dal gradiente elettrochimico. Se la membrana fosse permeabile solo allo ione Potassi, l’equilibiro sarebbe pari a -90mV. Osserviamo ora lo ione Sodio (Na+) : è più concentrato all’esterno e tende ad entrare spinto dal suo gradiente chimico: è favorito in ciò dalle cariche negative delle proteine interne, quindi nel suo gradiente elettrochimico vi sono due forze che lo spingono ad entrare e da ciò è determianata la sua concentrazione interna ed esterna: se la membrana fosse permeabile solo allo ione Sodio, questo enterebbe fino ad invertire il gradiente elettrico. Il potenziale di equilibrio dello ione Sodio è di +66 mV. Il potenziale a riposo è dunque quello di una cellula “indisturbata”: esistono però varie strutture dinamiche che modificano continuamente la propria attività sulla cellula in risposta a stimoli esterni: è quindi anche il risultato dell’aertura o chiusura di specifici canali di membrana: Canali di Memebrana sono: • Passivi = sempre aperti, la permeabilità varia in funzione delle proteine che li costituiscono, Importanti. • Cellule Natural Killer (NK) = Grossi linfociti granulari che originano nel midollo osseo, costituiscono il 15% dei linfociti circolanti. All’inizio si credevano attivi solo con i tumori, poi si è scoperto che agiscono anche con cellule infette da virus, alcuni batteri e funghi. La loro a ttività è stimolata da numerose citochine , la presenza di tumori è inversamente probabile alla loro presenza. Molecole solubili del sistema immunitario innato Il sistema immunitario secerne un gran numero di proteine regolatrici e molecole ad azione antimicrobica: i principali gruppi di molecole solubili del sistema di difesa non specifico sono le citochine e il complemento. • Citochine = ampio gruppo di proteine che servono come segnale durante i meccanismi di difesa sia specifici che non. Ne esistono 3 gruppi: • Interferoni = usati per il trattamento di epatite B e C , leucemia, sclerosi multipla , sarcoma di Kaposi (associato all’AIDS): ne esistono due tipi: • Interferoni di tipo I = dai macrofagi, inibiscono la replicazione virale, attivano NK. • Interferoni di tipo II = amplificano l’attività immunitaria, stimolando i macrofagi a distruggere cellule tumorali e infettate dai virus. • Interleuchine = Proteine secrete dai macrofagi e dai linfociti. Hanno effetti molto ampi, per esempio la IL-1 regola il termostato ipotalamico, scatenando la febbre. • Fattori di necrosi tumorale = secrete dai macrofagi (TNF-alfa) e dai linfociti (TNF-beta). Uccidono le cellule tumorali, facendo ben sperare per l’immunoterapia dei pazienti con cancro • Sistema Complemento = scoperto molti anni fà, componente del plasma in grado, se attivato, di migliorare l’azione battericida dei fagociti. Può essere attivato precocemente anche in assenza di anticorpi , è uno dei maggiori sistemi di risposta contro le infezioni: è un complesso di proteina (oltre 20) normalmente inattive, ma in presenza di patogeni scatena una serie di reazioni a cascata che producono quattro principali azioni: 1. Stimolano il rilascio di istamina ed altri composti che dilatano i vasi sanguigni e incrementano la permeabilità capillare. 2. Attraggono cellule della serie bianca del sangue (neutrofili e monociti) nel luogo d’infezione 3. Favoriscono la fagocitosi da perte di macrofagi e dei neutrofili 4. Lisano la parete cellulare del patogeno Gli Anticorpi (immunoglobuline) sono proteine composte da quattro catene polipetidiche, due pesanti ( catene H con 440 amminoacidi) e due leggere (catene L con 220 amminoacidi) . L’anticorpo ha due funzioni principali: 1. Si combina con l’antigene 2. Attiva i processi che lo distruggono. Un anticorpo tipico è a forma di Y , i cui due bracci della y legano l’antigene (frammenti FAB – Fragment Antigen Binding) portando alla formazione del complesso antigene-anticorpo. La coda della Y detto FC (frammento cristallizzabile) interagisce con cellule del sistema immunitario come i fagociti o si lega con molecole del complemento, attivandole. Le catene pesanti possono essere di cinque tipi che identificano altrettante classi di immunoglobuline: IgG, IgM, IgA, IgD,IgE. La deifferenziazione è data dalle sequenze amminoacidiche specifiche della regione costante delle catene pesanti. Gli anticorpi di diverso isotipo, pur legando lo stesso antigene, hanno distribuzione differente e svolgono differenti funzioni effettrici. Nell’uomo: • Le IgG sono circa il 75% : insieme alle IgM regaiscono con i macrofagi e attivano il complemento • Le IgA sono secrete nell’intestino, epitelio respiratorio, ghiandola mammaria , salivari e lacrimali: agiscono contro patogeni inalati o ingeriti. • Le IgD presenti su superificie delle cellule B, con azione sconosciuta. • Le IgE si legano con cellule granulose basofile (soprattutto mastcellule) che rilasciano potenti mediatori chimici che causano la tosse, gli starnuti ed il vomito. Originano la risposta allergica IgG ed IgA attraversano il filtro placentare. E’ nella regione variabile delle Ig che si realizza il legame con l’antigene. Quando i domini VH e VL sono appaiati nelal molecola dell’anticorpo si crea il sito ipervariabile sulla sommità di ciascun braccio della molecola. Gli anticorpi legano gli antigeni per mezzo di contatti aa all’interno delle CDR e le interazioni relative coinvolgono vai tipi di forze. Gli anticorpi sono formati da linfociti B, responsabili dell’immunità anticorpo-mediata o umorale. Una cellula B può produrre varie copie di anticorpo specifico che agisca da recettore e combinarsi con l’antigene. Il legame con l’antigene rende attiva la cellula B che comincia a duplicarsi velocemente producendo grandi quantità di anticorpo. L’evoluzione è l’accumulo nel tempo di cambiamenti all’interno del Dna, e quindi ereditabili., in individui di una popolazione (gruppo di individui della stessa razza che vivono nello stesso posto e nello stesso tempo). Charles Darwin èil padre dell’evoluzionismo , fondamentalemente perchè: 1. Ha portato prove nella sua opera “Origine della specie” dell’evoluzione 2. Capì correttamente il meccanismo che stà alla base dell’evoluzione. Il primo in assoluto a formulare una teoria dell’evoluzione fu però Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) che nel 1801 ipotizzò che tutte le specie, Homo sapiens incluso, discendessero da altre: per lui l’evoluzione era legata a due principi fondamentali: 1. I caratteri acquisiti sono ereditabili. Per Lamarck ad esempio le giraffe hanno il collo lungo perchè i loro antenati , dovendo allungare il collo per raggiungere le folgie in alto hanno man mano trasmesso il carattere del collo lungo . 2. Un impulso inconscio spinge ogni vivente verso una maggiore complessità, verso l’alto della scala Naturale. Oggi sappiamo che entrambe queste considerazioni di “genetica” sono false. Per Darwin invece, l’evoluzione è un processo a due fasi, in cui intervengono la variazione e la selezione naturale. Per Darwin quindi implicati il caso (la variazione) e l’adattamento all’ambiente (selezione). In pratica la mutazione produce una variazioen genetica, sui cui l’ambien opera la selezione: individui con certe caratteristiche sopravvivono e si riproducono , gli altri sono eliminati, quindi lentamente la popolazione si modifica. Darwin dedusse tali regole da alcune considerazioni fondamentali rigurdo gli organismi: • Variabilità = individui di una popolazione mostrano grande variabilità di caratteri e ciascuno ne è una combinazione unica che aumenta o meno le probabilità di sopravvivenza e quindi riproduzione. • Ereditarietà = le variazioni si ereditano, come sappiamo oggi per genetica. • Sovraproduzione = ad ogni generazione ogni specie ha la capacità di produrre più discendenti di quanti ne possano sopravvivere • Lotta per la sopravvivenza = Le risorse a disposizione sono limitate (cibo, acqua, luce, spazio ecc.), e poichè ci sono più individui di quanti l’ambiente ne possa supportare , solo alcuni sopravvivono, i più adattabili. • A Supporto dell’evoluzione molti tipi di evidenza scientifica = le evidenze maggiori dai fossili, studiando i quali è possibile osservare le relazioni evolutive delle specie che hanno originato la vita moderna • Anatomia comparata = Non ultimo, la comparazione di strutture anatomiche di specie affini permette di evidenziarne eventuali somiglianze. La microevoluzione rappresenta il cambiamento evolutivo su piccola scala, dovuta a variazioni alleliche o genotipiche che avvengono in una popolazione ed osservabili nelle generazioni successive. • Il genotipo di un organismo è il suo programma genetico. • Il fenotipo è il risultato finale della traduzione di tale programma , cioè l’organismo stesso. L’occhio rosso brillante della Drosophila è risultato di un allele in un gene sul cromosoma X. Altri alleli di questo gene producono come fenotipo altri colori. Per eredità poligenica si intende quella condizioni in cui molti geni influenzano quello che percepiamo come un singolo carattere. L’altezza umana è influenzata da più di 20 geni. La maggior parte dei geni che riguardano un carattere son sparsi in modo indipendente, ma anche quelli vicini possono allontanarsi con il crossing-over. E’ possibile osservare prove della microevoluzione , al contrario di quanto credeva Darwin che lo giudicava un processo talemtne lento da non essere osservabile: per esempio l’uso indiscriminato di insetticidi ha prodotto nuovi insetti resistenti a tali sostanze (225 specie: addirittura una rimuove un atomo di cloro dalla molecola del DDT e usa il resto come nutriente). Oppure il massiccio uso di antibiotici nel dopoguerra ha generato batteri resistenti. E’ possibile vedere tali cambiamenti in una popolazione. Hardy e Weinberg proposero un principio matematico che permette di calcolare le frequenze alleliche in una data popolazione se conosciamo le frequenze genotipiche e viceversa. L’applicabilità del principio si basa su cinque presupposti: 1. Accoppiamento Casuale = individui devono accoppiarsi in modo casuale e non selezionare i partner 2. Assenza di Mutazioni = non vi devono essere mutazioni che cambino gli alleli 3. Popolazioni di grandi dimensioni = il numero di invidui della popolazione deve essere elevato 4. Assenza di Migrazioni = non si devono verificare scambi di geni con altre popolazioni 5. Assenza di selezione naturale = tutti i genotipi devono possedere stesse capacità adattive e riproduttive Consiederiamo un gene che abbia due alleli , A ed a: Hardy e Weinberg dimostrarono che se i cinque presupposti sono veri, la frequenza dei due alleli non cambia di generazione in generazione. La frequenza delle possibili combinazioni, AA,Aa e aa rimane inalterata e così il genotipo, finchè uno dei cinque presupposti non diventa falso e si ha mutazione e quindi evoluzione. • La frequenza feonotipica è la proporzione di un particolare fenotipo nella popolazione rapportata al totale degli individui presi in esame. • La frequenza allelica è la percentuale di uno specifico allele nella popolazione in rapporto al totale degl individui presi in esame. Dal che discende : Mentre la micrevoluzione studia i piccoli cambiamenti, le frequenze geniche nelle singole popolazioni o per poche generazioni, la macroevoluzione considera la selezione anturale su scala di milioni di anni. Il mondo dei moderni organismi con riproduzione sessuata è più o meno suddiviso in specie discontinue, ed i nuovi organismi possono evolversi in due modi: 1. Evoluzione filetica = la popolazione ancestrale può subire un cambiamento tale da giustificarne un nuovo nome biologico. 2. Speciazione = una sottopopolazione si può separare dalla originaria per formare una nuova specie La specizione è considerata il processo più importante e la chiave per comprendere gli aspetti più generali dell’evoluzione . Secondo il concetto biologico di specie, espresso per primo da Mayr nel 1940: Specie = popolazioni i cui membri sono interfecondi. (in grado di produrre progenie fertile) Quindi nella definizione valida per organismi con riproduzione sessuata , le specie sono gruppi di individui effettivamente o potenzialmente capaci di incrofciarsi, con un pool genetico comune e riproduttivamente isolato dagli altri gruppi All’incirca sono state definite le seguenti specie: • 42.000 di vertebrati • 250.000 di vegetali • 750.000 di insetti Meccanismi pre-zigotici Le barriere pre-zigotiche sono meccanismi di isolamento riproduttivo , che impediscono la riproduzione tra specie: • Isolamento temporale = le due specie si riproducono in orari o periodi diversi dell’anno • Isolamento comportamentale (sessuale) = le due specie per accoppiarsi si scambiano segni particolari • Isolamento meccanico = la diversità fisica degli organi genitali impedisce accoppiamento