Biologia Animale CTF UniPr, Appunti di Biologia Animale

Scarica Biologia Animale CTF UniPr e più Appunti in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 1 Biologia: è la scienza che studia la vita, gli organismi viventi e tutti i processi che regolano i meccanismi dei sistemi viventi. SISTEMA VIVENTE: cellula, sistema con più cellule, organo, individuo, popolazione Il sistema vivente più elementare è la CELLULA. Ma anche i MITOCONDRI sono sistemi subcellulari viventi dotati di VITA PROPRIA perché il mitocondrio è una cellula batterica che è stata inglobata negli anni da una cellula più grande. DEFINIZIONE DELLA VITA Non è possibile dare un’unica semplice definizione della vita. Siamo in grado di percepire la vita in relazione ad alcune proprietà degli organismi viventi. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da unità di base chiamate cellule. Le nuove cellule sono generate esclusivamente dalla divisione di cellule preesistenti. Questi concetti sono espressi nella teoria cellulare, uno dei concetti unificanti fondamentali della biologia. FEROMONI: ormoni che vengono immessi nell’ambiente esterno. L’uomo li percepisce senza rendersene conto in quanto abbiamo nel corso degli anni perso le caratteristiche olfattive (i profumi sono feromoni artificiali (estratti di feromoni) che servono a portare dei segnali). In biologia vengono studiati sia gli ASPETTI STRUTTURALI (come sono strutturati i sistemi viventi e come sono organizzate le molecole) ma anche gli ASPETTI FUNZIONALI (come funzionano le strutture e le loro interazioni). 3 ASPETTI FONDAMENTALI CONFERISCONO AGLI ORGANISMI VIVENTI CARATTERISTICHE UNICHE: 1. EVOLUZIONE 2. TRASMISSIONE DELL’INFORMAZIONE (DNA: capacità di un organismo di trasmettere l’informazione da una generazione alla successiva; è essenziale per la continuità della vita) 3.TRASFERIMENTO DELL’ENERGIA NATURA e CULTURA dominano gli animali, in particolare l’uomo. Obiettivi naturali di un animale: -SOPRAVVIVERE -RIPRODURSI non per garantire il continuamento della specie ma per trasmettere i nostri geni alle generazioni successive. Nella specie umana le razze non esistono perché il DNA non presenta differenze significative tra le varie popolazioni umane. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 2 cap. 1 CHIMICA DELLA VITA VITA: Non è possibile dare un’unica semplice definizione della vita. Siamo in grado di percepire la vita e riconoscere gli organismi viventi grazie ad alcuni PROCESSI (PROPRIETA’ DELLA VITA) propri degli organismi viventi e comuni a tutti gli organismi, sia quelli più piccoli e semplici come i procarioti sia a quelli più complessi. PROPRIETA’ DELLA VITA (Processi biologici condivisi dagli organismi viventi nonostante la loro diversità) 1. Ordine/Organizzazione 2. Crescita, sviluppo, apoptosi (morte cellulare programmata, specialmente nei sistemi pluricellulari) 3. Riproduzione (asessuata/sessuata) necessaria per una continua sostituzione di elementi viventi 4. Consumo di energia (omeostasi metabolica) i sistemi per funzionare hanno bisogno di energia (ATP) 5. Risposta all’ambiente (stimoli) capacità di rispondere agli stimoli 6. Adattamento evolutivo sistemi biologici cercano costantemente di adattarsi alle modificazioni ambientali GERARCHIA DELL’ORGANIZZAZIONE Ci deve sempre essere un’organizzazione gerarchica nei sistemi viventi (obiettivo: mantenere l’organizzazione) e anche delle condizioni adeguate (CONDIZIONI DI OMEOSTASI, ovvero condizioni di stabilità dell’ambiente interno di un organismo; essa viene preservata da meccanismi di regolazione). I sistemi viventi sono governati da funzioni complesse con l’obiettivo di mantenere una stabilità dell’ambiente interno. 1. Atomi-molecole Gli elementi sono sostanze che non possono essere scomposte in sostanze più semplici mediante normali reazioni chimiche. Un atomo è definito come la porzione più piccola di un elemento che conserva le sue proprietà chimiche. I componenti degli atomi sono minuscole particelle di materia (qualsiasi cosa che abbia massa e occupi spazio) note come particelle subatomiche. Un elettrone è una particella che trasporta un'unità di carica elettrica negativa; un protone porta un'unità di carica positiva; e un neutrone è una particella senza carica. In un atomo elettricamente neutro, il numero di elettroni è uguale al numero di protoni. Raggruppati insieme, protoni e neutroni compongono il nucleo atomico. Gli elettroni, tuttavia, non hanno posizioni fisse e si muovono rapidamente attraverso lo spazio per lo più vuoto che circonda il nucleo atomico. Due o più atomi possono combinarsi chimicamente. Quando gli atomi di elementi diversi si combinano, il risultato è un composto chimico. Due o più atomi possono unirsi molto fortemente per formare una particella stabile chiamata molecola. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 5 L’acqua è una molecola fondamentale per i sistemi biologici (costituisce il 70% della materia vivente, e per questo è considerata una BIOMOLECOLA FONDAMENTALE). Tra le varie molecole di acqua si formano legami a idrogeno (legami deboli, quindi facilmente dissociabili) I legami a idrogeno si formano tra un atomo di idrogeno con debole carica positiva e un atomo di ossigeno (azoto o fluoro) con debole carica negativa appartenenti a molecole diverse. I legami a idrogeno si possono formare a livello: -INTRAMOLECOLARE ovvero all’interno della molecola e permette di dare struttura e stabilità alla molecola -INTERMOLECOLARE ovvero tra molecole diverse Siccome l’acqua è una biomolecola fondamentale, diventano fondamentali anche le condizioni chimiche in cui l’acqua si trova: Temperatura e Pressione dell’acqua sono importanti perché se la temperatura scende, i legami a idrogeno cristallizzano e si forma il ghiaccio mentre al contrario se la temperatura aumenta si vanno a rompere i legami a idrogeno. Diventa fondamentale nelle cellule e nei sistemi viventi che venga mantenuta un’omeostasi adeguata di temperatura, sia per non denaturare le proteine ma anche per far si che l’acqua si trovi nello stato adeguato. • PONTI DISOLFURO Sono legami che si formano tra due atomi di Zolfo • LEGAME IONICO Si forma quando si trovano vicini due atomi di specie chimiche la cui elettronegatività è molto diversa. Gli atomi più elettronegativi riescono a strappare un elettrone da un altro atomo poco elettronegativo Si ha uno sbilanciamento di elettroni: l’atomo più elettronegativo possiede un elettrone in più (possiede carica negativa) mentre quello meno elettronegativo possiede un elettrone in meno (ha una carica positiva). I due ioni si uniscono in modo saldo grazie all’interazione tra cariche positive e negative formando un reticolo cristallino ben preciso. Siccome c’è una separazione di carica si hanno dei composti polari (idrofili). L’acqua riesce a dissociare i due ioni ma fa fatica; per questo nelle cellule quando occorre dissociare un cristallo intervengono dei SISTEMI ENZIMATICI che aiutano a far avvenire le reazioni chimiche senza un apporto di energia. Svolgono reazioni chimiche senza alterare i bilanci energetici della cellula. Quando interagiscono due atomi con forte differenza di elettronegatività può verificarsi il trasferimento completo di uno o più elettroni da uno all’altro con formazione di due particelle aventi carica di segno opposto (ioni). I legami ionici consistono nell’attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta. Un atomo diventa uno ione se guadagna o perde 1 o più elettroni. Un atomo con 1, 2 o 3 elettroni nel suo guscio di valenza tende a perdere elettroni ad altri atomi. Un tale atomo diventa quindi caricato positivamente perché il suo nucleo contiene più protoni del numero di elettroni che orbitano attorno al nucleo. Questi ioni carichi positivamente sono chiamati cationi. Gli atomi con 5, 6 o 7 elettroni di valenza tendono a guadagnare elettroni da altri atomi e diventano anioni con carica negativa. Un legame ionico si forma come conseguenza dell'attrazione tra la carica positiva di un catione e la carica negativa di un anione. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 6 • FORZE DI VAN DER WAALS Anche le molecole elettricamente neutre e non polari possono sviluppare regioni transitorie di debole carica positiva e negativa. Queste leggere cariche si sviluppano come conseguenza del fatto che gli elettroni sono in continuo movimento. Una regione con un eccesso temporaneo di elettroni avrà una carica negativa debole, mentre una regione con un deficit di elettroni avrà una carica positiva debole (DIPOLI ISTANTANEI). Le molecole adiacenti possono interagire in regioni di leggera carica opposta. Queste forze attrattive, denominate interazioni di Van der Waals, operano su distanze molto brevi e sono più deboli e meno specifiche degli altri tipi di interazione che abbiamo considerato. Sono più importanti quando si verificano in gran numero e quando le forme delle molecole consentono uno stretto contatto tra gli atomi. Sebbene una singola interazione sia molto debole, la forza di legame di un gran numero di queste interazioni che lavorano insieme può essere significativa. Sono legami che si formano principalmente nelle macromolecole con legami prevalentemente apolari. Tra questi legami ci possono essere, nei movimenti degli elettroni negli orbitali, dei transitori accumuli elettroni in determinate zone. In queste zone si formano dei legami deboli transitori. Le forze di van der Waals sono interazioni intermolecolari di natura elettrostatica tra molecole apolari generate dalla formazione di dipoli istantanei. Tra molecole o porzioni di molecole apolari (elettricamente neutre), quando gli elettroni nel loro movimento si accumulano in una porzione di molecola con formazione di zone a carica positiva e negativa. Il corretto funzionamento di un organismo dipende dal pH pH intracellulare: 7,2-7,4 pH extracellulare: variabile COMPOSTI DEL CARBONIO che formano il restante 5-30% della BIOMASSA Molte molecole biologiche come proteine e acidi nucleici sono molto grandi, costituite da migliaia di atomi. Tali molecole giganti sono conosciute come macromolecole. La maggior parte delle macromolecole sono polimeri, prodotti legando piccoli composti organici chiamati monomeri. I monomeri si legano in modo covalente mediante reazioni di condensazione. Poiché l'equivalente di una molecola di acqua viene rimosso durante le reazioni che combinano i monomeri, il termine sintesi per disidratazione è talvolta usato per descrivere la condensazione. Sono macromolecole formate grazie a processi di unione di unità più piccole chiamati monomeri (PROCESSI DI POLIMERIZZAZIONE che è una sintesi per CONDENSAZIONE (disidratazione)) Nel processo di polimerizzazione esce acqua e si vengono a formare LEGAMI COVALENTI, ovvero legami forti, specifici per i singoli monomeri. La DEPOLIMERIZZAZIONE cioè la scissione di un polimero nelle sue unità costituenti, ovvero i monomeri, è chiamata IDROLISI (avviene aggiungendo H2O e si va a rompere un legame). La polimerizzazione e la depolimerizzazione sono reazioni altamente energetiche e quindi per avvenire nelle cellule è necessario l’intervento di specifici enzimi polimerizzanti (es. DNA polimerasi) e enzimi idrolitici (es. idrolasi). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 7 PROTEINE Sono macromolecole i cui i monomeri di base sono gli AMMINOACIDI Gli amminoacidi si combinano chimicamente tra loro mediante una reazione di condensazione che lega il carbonio carbossilico di una molecola all'azoto amminico di un'altra. Il legame covalente carbonio-azoto che lega due amminoacidi è un legame peptidico. Quando due amminoacidi si combinano, si forma un dipeptide; una catena più lunga di amminoacidi è un polipeptide. Una proteina è costituita da una o più catene polipeptidiche. Ciascun polipeptide ha un gruppo amminico libero a un'estremità e un gruppo carbossilico libero (appartenente all'ultimo amminoacido aggiunto alla catena) all'estremità opposta. Gli altri gruppi amminici e carbossilici dei monomeri amminoacidici (tranne quelli nelle catene laterali) fanno parte dei legami peptidici. La singola sequenza di amminoacidi legati l’uno con l’altro da LEGAMI PEPTIDICI (legami forti) è chiamata “catena polipeptidica”. Essa viene chiamata “proteina” solo quando la catena polipeptidica raggiunge la sua struttura definitiva (organizzazione geometrica definitiva) e quindi diventa una catena polipeptidica attiva (proteina). Il processo che permette di far diventare una catena polipeptidica una proteina è chiamato “FOLDING” ed è un processo in cui la catena subisce delle modificazioni geometriche (ripiegatura). Gli amminoacidi sono molecole che hanno una caratteristica particolare: il Carbonio α forma 4 legami con: -un gruppo carbossilico -COOH -un gruppo amminico -NH2 -un idrogeno -un gruppo alchilico -R Alcuni degli amminoacidi sono polari mentre altri sono apolari: gli amminoacidi classificati come aventi catene laterali non polari tendono ad avere proprietà idrofobiche, mentre quelli classificati come polari sono più idrofili. 20 amminoacidi vanno a formare circa 500 famiglie di proteine nell’organismo umano. Alcuni amminoacidi subiscono delle modificazioni chimiche nell’organismo. Alcuni di questi amminoacidi vengono definiti ESSENZIALI (9) in quanto il nostro organismo non è in grado di produrli e quindi vanno introdotti con la dieta. Alcuni di questi AA essenziali sono molto importanti perché sono i precursori di alcuni ormoni (es. serotonina) Gli altri 11 vengono prodotti in particolar modo a livello intestinale I vari amminoacidi si organizzano in catene polipeptidiche che formano proteine fondamentali nei sistemi viventi PRINCIPALI CLASSI DI PROTEINE 1. ENZIMI 2. PROTEINE STRUTTURALI proteine che danno struttura es. collagene 3. PROTEINE DI RISERVA es. albumina 4. PROTEINE DI TRASPORTO trasportano sostanze dall’interno all’esterno della cellula e viceversa, ma possono trasportare sostanze nel circolo sanguigno 5. PROTEINE DI REGOLAZIONE 6. PROTEINE DI MOVIMENTO proteine che fanno muovere le cellule Negli AA 3 legami sono fissi mentre il quarto legame cambia sempre ed è questo che varia nei vari AA Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 10 Sono strutture molto importanti poiché le proteine sono le macromolecole fondamentali delle cellule e laddove gli chaperon molecolari inizino a essere deficitari e a funzionare male, possono subentrare molti problemi. Per esempio nel sistema nervoso gli chaperon molecolari che non lavorano correttamente scartano molte proteine che non riescono a ripiegare correttamente e ciò porta a un accumulo nel sistema nervoso di proteine all’interno dei neuroni (β-amiloidi e proteine TAU che portano il morbo di Alzheimer e demenza senile). Altri tipi di proteine mal ripiegate a livello del sistema nervoso sono i PRIONI, proteine che si comportano come i virus, anche se prive di un acido nucleico, in grado di infettare dei tessuti Le proteine del nostro del nostro organismo non possono superare i 40°C perché oltre tale temperatura avviene la denaturazione delle proteine: si vengono a formare dei legami intermolecolari e intramolecolari che portano a cambiare la struttura delle proteine. ACIDI NUCLEICI Sono una classe di biomolecole molto variegata che svolgono funzioni diverse: -contengono il codice genetico (informazione genetica) -molecole trasportatrici di energia (ATP, GTP, AMPc (è un segnalatore intracellulare ovvero un comunicatore cellulare), NAD) -alcuni acidi nucleici sono dotati di attività enzimatica (RIBOZIMI): sono degli RNA dotati di attività catalitica (enzimatica) in grado di effettuare dei tagli negli acidi nucleici (tecnica CRISPR: tecnica che consente di inviare un ribozima in un punto preciso del DNA e tagliare un determinato pezzo di DNA) Gli acidi nucleici trasmettono informazioni ereditarie e determinano quali proteine una cellula produce. Nelle cellule si trovano due classi di acidi nucleici: acido desossiribonucleico e acido ribonucleico. L'acido desossiribonucleico (DNA) compone i geni, costituisce il materiale ereditario della cellula, e contiene le istruzioni per produrre tutte le proteine. L'acido ribonucleico (RNA) partecipa al processo in cui gli amminoacidi si legano per formare i polipeptidi. Alcuni tipi di RNA, noti come ribozimi, possono anche agire come specifici catalizzatori biologici. Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. Ogni NUCLEOTIDE è composto da: • Base azotata (A,T,C,G nel DNA; A,U,G,C nell’RNA) • Zucchero pentoso (Desossiribosio nel DNA; Ribosio nell’RNA) • Gruppi fosfato Le basi azotate si appaiano in modo complementare Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 11 Il DNA è un acido nucleico scoperto da Watson e Crick intorno agli anni ’50 del ‘900. È costituito da due filamenti che si uniscono grazie a basi azotate. Dal punto di vista biologia ci interessa come gli atomi che costituiscono gli acidi nucleici sono legati tra loro. Negli acidi nucleici le strutture centrali, ovvero le basi azotate complementari, si uniscono tra di loro grazie alla formazione di legami a idrogeno: -tra Adenina e Timina si formano 2 legami a idrogeno -tra Citosina e Guanina si formano 3 legami a idrogeno Per questo motivo il legame C-G è TERMODINAMICAMENTE PIÙ STABILE rispetto al legame A-T. Quindi le zone del DNA che richiedono una certa stabilità sono ricche in C-G. I filamenti laterali sono formati grazie alla POLIMERIZZAZIONE dei singoli monomeri (NUCLEOTIDI) con la formazione di un legame covalente, il LEGAME FOSFODIESTERICO. I due filamenti laterali sono molto stabili in quando possiedono legami covalenti forti (e quindi è necessaria molta energia e anche l’intervento di enzimi per romperli) e i ponti centrali sono invece legati da legami a idrogeno e quindi possono essere facilmente separati. CODICE GENETICO: codice che detta quali AA devono essere posizionati all’interno della proteina (determina la sequenza amminoacidica di una proteina) Anche nel caso degli acidi nucleici è presente una struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. La PRIMARIA è data dalla sequenza nucleotidica dei nucleotidi che si legano tra di loro (LEGAME FOSFODIESTERICO). La struttura primaria quando si forma tende a SPIRALIZZARSI a ELICA (asimmetrica) dove c’è un’alternanza tra un solco maggiore e un solco minore. La doppia elica (STRUTTURA SECONDARIA) si ripiega e forma strutture più complesse (STRUTTURA TERZIARIA) in cui il DNA si complessa con proteine (ISTONI) che hanno la funzione di rendere STRUTTURALMENTE STABILE il DNA. Il doppio filamento di DNA è stabilizzato anche da delle forze idrofobiche simili alle forze di Van der Waals (FORZE DI STACKING) che si formano quando si hanno molecole aromatiche. Siccome queste forze si formano per tutta la lunghezza della catena, esse conferiscono stabilità alla molecola. La struttura caratteristica della doppia elica è la FORMA β All’interno dei sistemi biologici esistono altre forme di DNA: la FORMA α del DNA è più compressa della forma β; ciò succede quando la cellula si disidrata e quindi perde acqua. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 12 Esiste però anche la FORMA Z che consiste in un ripiegamento della forma β perdendo la struttura elicoidale e assume una struttura terziaria a zig zag. Mantiene la doppia elica ma questa subisce dei ripiegamenti particolari in quanto la molecola di DNA è sottoposta alla METILAZIONE della Citosina (aggiunta di -CH3) Le zone ricche di citosina che vengono metilate sono chiamate ISOLE DI CITOSINA METILATA. Laddove sono presenti queste zone metilate, il DNA è INATTIVO e non può essere codificato il codice genetico. La METILAZIONE del DNA causa un SILENZIAMO GENICO La metilazione trasforma il DNA dalla forma β alla forma Z in determinate regioni del DNA. IMPRINTING GENOMICO: non è la sequenza del DNA che detta le regole ma è quella sequenza contestualizzata a tutti gli aspetti ambientali che la circondano. È un meccanismo di modulazione dell’espressione genica che modifica il DNA senza alterarne la sequenza nucleotidica. Permette la modulazione della trascrizione di alcuni geni. Domande esame molecola di DNA quanti cromosomi abbiamo nel genoma? 46 (diverse molecole di DNA) Se in un cromosoma ho il 20% di Adenina, qual è la percentuale di Guanina? 30% 20% A 20% T 30% G 30% C In una molecola di RNA se ho il 20% di Adenina, qual è la concentrazione di Timina? 0% perché nell’RNA c’è l’Uracile al posto della Timina CARBOIDRATI Sono macromolecole formate da CARBONIO e ACQUA (C:H2:O). Vengono chiamati anche glucidi, saccaridi e zuccheri. I monomeri dei carboidrati sono i MONOSACCARIDI Esistono due tipologie di carboidrati: -SEMPLICI in cui il processo di polimerizzazione si ferma precocemente Sono zuccheri formati da un monosaccaride (glucosio) o un disaccaride (saccarosio) Un disaccaride contiene due anelli monosaccaridici uniti da un legame glicosidico, costituito da un ossigeno centrale legato covalentemente a due atomi di carbonio, uno in ciascun anello -COMPLESSI costituiti da centinaia di monomeri che si uniscono tra di loro Per esempio l’amido, la cellulosa, il glicogeno (polisaccaride di riserva che si accumula nei muscoli e nel fegato) I polisaccaridi complessi hanno o funzione di riserva (glicogeno) o strutturale (cellulosa) Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 15 -STEROIDI (ormoni) derivano dal colesterolo, il principale steroide che va a formare gli ormoni steroidei come gli ormoni sessuali Il colesterolo è una molecola lipidica complessa formata da una struttura base di 4 anelli (ciclopentanoperidrofenantrene). Tre degli anelli contengono sei atomi di carbonio e il quarto ne contiene cinque. La lunghezza e la struttura delle catene laterali che si estendono da questi anelli distinguono uno steroide dall'altro. Il colesterolo è il componente base degli ormoni steroidei (es. cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali come testosterone, androgeni e estrogeni) La geometria delle molecole permette a esse di attaccarsi a recettori precisi. -CAROTENOIDI (pigmenti) -CERE (strutturali) hanno un ruolo di rivestimento e di impermeabilizzazione -PROSTAGLANDINE (mediatori cellulari): mediatori chimici che intervengono nel processo infiammatorio BASE CELLULARE DELLA VITA costruzione sistemi viventi La base della vita è definita base cellulare. La cellula è l’unità fondamentale e strutturale fondamentale degli organismi animali La vita è costituita da molecole (in particolare biomolecole/macromolecole) Nel 1839 M. Schleiden e T. Schwann dicono che le cellule sono l’unità vivente ovvero che la cellula è alla base di tutti gli esseri viventi. Esistono organismi e cellule fatti in modo diverso: -cellule procariotiche (pro=prima carion=nucleo : prima dell’avvento del nucleo) cellule dei batteri e delle alghe azzurre. Semplice struttura del DNA, senza nucleo, organuli per lo più assenti, ma con parete cellulare -cellule eucariotiche (eucarion: con un nuovo nucleo): cellule più complesse con un nucleo più strutturato. DNA organizzato in cromosomi, nucleo evidente, organuli presenti, senza parete cellulare negli animali. A livello di organismi possiamo avere : -organismi unicellulari -organismi pluricellulari EVOLUZIONE: Complesso dei processi che hanno contribuito a trasformare la vita sulla terra, a partire dalle sue forme più antiche e più semplici, sino ad arrivare alla vasta diversità che le caratterizza. Noi siamo sottoposti quotidianamente all’azione di forze evolutive L’evoluzione culturale va di pari passo con l’evoluzione biologica; quando ambiente e cultura vanno di pari passo con l’evoluzione biologica, i sistemi si comportano in modo completamente diverso. L’evoluzione è una sintonia tra l’evoluzione biologica e l’evoluzione culturale per arrivare a diversificare sul pianeta tutte le varie forme viventi che oggigiorno noi troviamo e che continuano nel loro percorso di tipo evolutivo. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 16 Definizione di SPECIE (Mayr, 1940): Gruppi di popolazioni con individui realmente o potenzialmente interfecondi, in grado di generare prole fertile e riproduttivamente isolati da altri gruppi. SPECIE: gruppi di popolazione, Insieme di organismi viventi inseriti in un contesto sistematico costituita da individui interfecondi tra di loro e in grado di dare una discendenza fertile. In natura ci sono gruppi di animali e di piante appartenenti a specie diverse che sono in grado di accoppiarsi ma i discendenti sono sterili. Gruppo di organismi (POPOLAZIONE: organismi appartenenti alla stessa specie) Gli ibridi tra specie diverse sono spesso sterili La specie umana: gli aspetti fenotipici (sembianze/morfologia) sono variegati tra le diverse popolazioni (fenotipicamente diverse) ma apparteniamo alla stessa specie perché variabilità genetica è molto bassa, e quindi danno prole fertile. La morfologia dell’essere umano riveste un gradiente latitudinario ovvero l’irraggiamento solare: dove c’è più sole, le popolazioni hanno evoluto una pigmentazione più intensa per difendersi dai raggi ultravioletti che se non contrastati con l’iperpigmentazione cutanea darebbero melanomi e altre malattie della pelle. Classificazione animale dei diversi sistemi viventi ESAME Regni (categoria sistematica più ampia/larga) del mondo Esistono 5 diversi regni (categoria sistematica più larga) -MONERE tutte specie di batteri e di alghe azzurre (alghe unicellulari microscopiche, sono batteri, chiamati anche cianobatteri). Gli organismi viventi sono costituiti da cellula procariotica. I batteri non appartengono al regno dei procarioti, ma al regno delle monere. -PROTISTI troviamo protozoi, cellule eucariotica, sono organismi viventi unicellulari costituiti da cellule eucariotiche. Alcuni protisti possono essere pluricellulari semplici perché ci possono essere protozoi coloniali (formano ammassi di cellule che si uniscono tra di loro ma ogni cellula possiede/mantiene la sua individualità cellulare). -PIANTE eucarioti pluricellulari in grado di compere la fotosintesi (organismi AUTOTROFI) -FUNGHI eucarioti pluricellulari decompositori (decompongono la sostanza organica) -ANIMALI eucarioti pluricellulari che sono ETEROTROFI (si nutrono di altri organismi) anche se alcuni animali sono autotrofi (molluschi barriera corallina) Un altro tipo di classificazione riconduce i 5 regni a 3 diversi domini: -BACTERIA batteri -ARCHEA batteri fossili, molto antichi -EUKARYA funghi, protozoi, animali tutti organismi costituiti da cellule eucariotiche Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 17 EVOLUZIONE IDEALISMO, CREAZIONISMO O EVOLUZIONISMO? Definiamo l'evoluzione come l'accumulo di cambiamenti genetici all'interno delle popolazioni nel tempo. Una popolazione è un gruppo di individui di una specie che vivono contemporaneamente nella stessa area geografica. Il termine evoluzione non si riferisce ai cambiamenti che si verificano in un individuo nel corso della sua vita. Si riferisce invece ai cambiamenti nelle caratteristiche delle popolazioni nel corso delle generazioni. Questi cambiamenti possono essere così piccoli da essere difficili da rilevare o così grandi che la popolazione differisce notevolmente dalla sua popolazione ancestrale. Alla fine, due popolazioni possono divergere a tal punto che le chiamiamo specie diverse. Una specie è un gruppo di organismi, con struttura, funzione e comportamento simili, che sono in grado di incrociarsi tra loro. 427-322 a.C. Platone e Aristotele -IDEALISMO: evoluzione controproducente in organismi già ben adattati all’ambiente -CREAZIONISMO: creazione di ogni singola specie e permanenza immutata nel tempo (adattamento dovuto a un modellamento individuale del creatore) • 1700 Linneo segna punto di passaggio importante tra le varie contrapposizioni religiose legate a cristianesimo, ebraismo e islamismo che per lungo tempo hanno negato l’evoluzione sostenendo che un creatore avesse già creato tutti gli animali già perfetti e che quindi non avesse senso che gli animali si modificassero nel tempo. Linneo capisce che alcuni animali si assomigliano, e quindi crea una classificazione di piante e animali. Nota che c’è una scala di passaggio tra gli organismi viventi Mette in evidenza delle similarità tra gli animali e le piante. È creazionista ma introduce il sistema di CLASSIFICAZIONE BINOMIA delle specie viventi • Buffon dice che la Terra non ha 6000 anni (come diceva la Bibbia) ma è molto più antica (probabilmente oltre i 70 000 anni) e afferma che esite una forte parentela tra uomo e scimmia (1700) Questa affermazione mette in dubbio ciò che era scritto nei testi sacri e quindi queste affermazioni dello scienziato non vennero mai accettate • Erasmo Darwin (nonno di Darwin) elabora teoria evoluzionista solida rispetto a Lamarck (primo che elabora una teoria) • Hutton parla della TEORIA DEL GRADUALISMO (profondi cambiamenti a livello geologico derivati da piccoli processi); ci dice che la terra stessa subisce delle trasformazioni nonostante sia inanimata. All’interno degli strati del terreno è possibile trovare fossili di animali che vengono trovati e recuperati, e questi non sono più uguali agli animali attuali. Esistevano animali diversi. Parla anche di una terra molto antica, dicendo che la terra era più vecchia di 6000 anni (come diceva la Bibbia). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 20 EUGENETICA: Disciplina nata verso la fine dell'Ottocento che, basandosi su considerazioni genetiche e applicando i metodi di selezione usati per animali e piante, si poneva l'obiettivo del miglioramento della specie umana. Konrad Lorenz: è colui che scopre l’IMPRINTING: tipo di comportamento per cui ogni essere animale in una fase precoce della sua vita (fase sensibile) viene fissato su determinate immagini e determinati comportamenti. Questo è in tutti gli esseri viventi. Dimostra come i piccoli di oca, in un periodo precoce dalla schiusa dell’uovo, imparano a seguire la madre. Scrive al governo tedesco 1930 e espone teoria su imprinting. Tedeschi vogliono imprintare (segnare e marcare) bambini su cultura germanica. Con l’eugenetica si passa dal darwinismo al darwinismo sociale, la principale teoria evoluzionistica che domina in Europa e in Nord America tra la fine dell’ ‘800 e la seconda guerra mondiale. Con lo sviluppo tecnologiche e la scoperta del DNA (Watson e Crick), oggigiorno si parla di NEODARWINISMO ovvero tutto ciò che riguarda l’adattamento genetico, la selezione naturale e il fatto che i genomi mutano e quindi la capacità di modificare gli organismi viventi attraverso le mutazioni. DARWINISMO SOCIALE: Spencer – Galton - Hitler NEO-DARWINISMO: Teorie Darwiniane + Genetica MECCANISMI DELL’EVOLUZIONE: l’evoluzione è basata su 3 meccanismi fondamentali: 1. I TRATTI SONO EREDITABILI MUTAZIONI Alcuni tratti (caratteristiche genetiche) sono ereditabili e quindi le caratteristiche elaborate da un genitore vengono trasmesse dai genitori ai discendenti ma questi tratti sono variabili perché cambiano nel tempo e non sono fissi (vengono trasmessi dai genitori ma c’è un dinamismo nel contesto ambientale). Altri sono più adattativi rispetto ad altri in quel contesto ambientale La parte biologica e anche la parte culturale sono dominate dalla capacità del DNA a modificarsi, in parte perché muta spontaneamente e in parte perché è indotto a mutare dall’uomo (es. inquinamento, il DNA muta perché ci sono sostanze mutagene a livello ambientale). Tratti: l’evoluzione non è solo biologica (non c’è solo il DNA) ma esiste anche un’evoluzione culturale. DNA e cultura vanno di pari passo e possono modificarsi a vicenda. La cultura che viene modificata agisce sulle caratteristiche genetiche. 2. I TRATTI SONO VARIABILI MIGRAZIONI L’evoluzione è definita anche dalle migrazioni delle popolazioni. I flussi migratori tra popolazioni portano a scambi di genoma. Popolazioni: raggruppamenti di individui nell’ambito di un determinato contesto ambientale 3. ALCUNI TRATTI SONO PIU’ ADATTATIVI DI ALTRI ISOLAMENTO GEOGRAFICO Il terzo aspetto in grado di fissare determinate caratteristiche genetiche è l’isolamento geografico che porta a indirizzare e a fissare determinate caratteristiche genetiche. La somma di piccoli cambiamenti (mutazioni) e l’isolamento riproduttivo possono generare eventi di Speciazione (Processo di formazione di nuove specie attraverso l'insorgere di meccanismi di isolamento riproduttivo che impediscono lo scambio genetico tra le popolazioni). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 21 Mutazioni del DNA possono o rimescolarsi attraverso le migrazioni o fissarsi attraverso l’isolamento geografico. SELEZIONE NATURALE e ADATTAMENTO: riferito al successo riproduttivo di un determinato individuo/popolazione ovvero quanto meglio (in maggior numero) loro riescono a riprodursi. Successo riproduttivo dei diversi fenotipi derivante dalle differenti modalità di interazione degli organismi con l’ambiente. Gli animali di una stessa specie nascono con piccole differenze individuali, l’ambiente opera su di essi una selezione consentendo la sopravvivenza dei più adatti. La SELEZIONE può essere: -SELEZIONE INDIVIDUALE vera e propria selezione naturale che opera sugli individui e allo stesso tempo anche selezione sessuale -SELEZIONE DI GRUPPO (o di parentela) Kin selection noi tendiamo a preferire la condivisione di aspetti di vita con persone a noi imparentate e non con sconosciuti (perché il mio parente porta i miei stessi geni e noi abbiamo come obiettivo quello di trasmettere i miei geni alle generazioni successive). -ALTRUISMO RECIPROCO ovvero la decisione di scegliere se cooperare o fregare/imbrogliare/tradire qualcuno (per avvantaggiarsi a discapito di qualcun altro). ESAME!!! MI PARLI DI EVOLUZIONE; come partendo dal niente attraverso mutazioni e isolamento si sono formate esseri più o meno complessi. Mi parli dell’origine della vita RICORDA PER ESAME: esperimento di Miller, ipotesi di un metabolismo primordiale molto semplice e i ribozimi come molecole che avendo introdotto un acido nucleico all’interno della cellula iniziano a indirizzare i protobionti verso vere e proprie cellule La domanda che ci si pone è come si è originata la vita quando 5 miliardi di anni fa è nata la Terra. La Terra ha impiegato 1,5 miliardi di tempo per raffreddarsi perché prima il pianeta terrestre era una massa incandescente. I primi studiosi parlavano di generazione spontanea: dal medioevo a circa la fine del 1700 i sostenitori della generazione spontanea dicevano che bastava prendere rifiuti, materiale vecchio e sporco, metterlo al buio e dopo poco tempo sarebbe nata la vita (vermi, topi, mosche) perché la vita aveva la capacità di generarsi spontaneamente. Fino al XIX secolo era opinione comune che la vita si generasse per GENERAZIONE SPONTANEA. Colui che smentisce tale teoria è Louis Pasteur (1862): I microrganismi si generano soltanto da altri microrganismi (BIOGENESI DEI MICRORGANISMI). Intorno alla metà del 1800 Pasteur fa un esperimento in cui prende un pallone di vetro (con un prolungamento chiuso, collo di cigno, fa uscire vapori dall’interno all’esterno ma non fa entrare aria all’interno) e mette all’interno del brodo di cultura, lo fa bollire e poi lascia raffreddare il tutto. Dopo qualche giorno la soluzione era limpida e uguale com’era durante la fase di ebollizione. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 22 Ripete l’esperimento ma nel momento della fase di raffreddamento, rompe il collo di cigno e fa venire a contatto il terreno di coltura con l’ambiente atmosferico. Si accorge che dopo qualche giorno il brodo ci coltura diventa torbido e maleodorante, crescono muffe e altre colture batteriche. Elabora così la sua teoria sulla : per avere microrganismi occorre avere microrganismi precedenti (microrganismi dell’aria entrano nel brodo di coltura e si sviluppano); i microrganismi si generano soltanto da altri microrganismi. Per avere vita/cellule devo avere vita precedente/cellule precedenti (TEORIA CELLULARE afferma che tutti gli esseri viventi sono formati da una o più cellule. Ogni cellula deriva da una preesistente cellula) 3.5 miliardi di anni fa, in un pianeta inospitale, dominato da vulcani, in un’atmosfera fortemente riducente (in quanto manca l’ossigeno) dominata da emissioni gassose proveniente dai vulcani e che fuoriuscivano dalla terra (metano, CO2, ammoniaca, idrogeno, azoto gassoso e vapore acqueo). C’era un’atmosfera riducente perché mancava l’ossigeno in quanto e quel poco di ossigeno presente, essendo molto reattivo, complessava con l’idrogeno formando acqua e alcuni ossidi (ossigeno + metalli). GENESI DELLA TERRA 1. BIG BANG: enorme esplosione con dispersione di materiale nell’universo (10-20 miliardi anni fa) 2. ORIGINE TERRA: attrazione gravitazionale di masse rocciose (5 miliardi anni fa) 3. RAFFREDDAMENTO DELLA CROSTA TERRESTRE (4 miliardi di anni fa) 4. ORIGINE DELLA VITA (3,5-3,8 miliardi di anni fa) Nella metà dal 1900 due ricercatori (Miller e Urey) cercano di ricostruire in laboratorio l’atmosfera primordiale: in un pallone mettono tutti quei composti prima elencati e applicano delle scariche elettriche (che mimano l’attività dei temporali). Capiscono che tutto ciò che era all’interno dell’atmosfera, in seguito ai temporali, ricadeva a terra (su una superficie terrestre bagnata) con conseguente evaporazione intensa e quindi in una terra in cui tali cicli erano molto rapidi. In un pianeta dove questi cicli erano molto rapidi, fanno percorre più volte il circuito e si accorgono che dal pallone non escono più molecole inorganiche ma biomolecole molto semplici (monosaccaridi, amminoacidi, brevi sequenze di acidi grassi). Dimostrano come tutti questi composti possono essere sintetizzati per via ABIOTICA (non prodotti da organismi viventi ma attraverso un’azione fisica dell’atmosfera possono formarsi anche molecole organiche). Tali biomolecole ricadendo al suolo possono subire processi di polimerizzazione che avvenivano su rocce calde, lava, argilla, pirite. Dalle biomolecole molto semplici partono processi di polimerizzazione (superficie calda e la polimerizzazione avviene grazie alla condensazione) formandosi molecole più complesse che iniziano a organizzarsi tra di loro. I lipidi, in un ambiente acquoso, iniziano a formare una separazione di fase e riescono a inglobare al loro interno altre biomolecole. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 25 Secondo il modello endosimbiontico, la cellula eucariotica si sarebbe evoluta come una associazione di procarioti tra cui si sarebbero instaurate relazioni di tipo simbiontico. Le membrane interne dei mitocondri e dei cloroplasti possono essere derivate dalle membrane plasmatiche dei primi procarioti che infettarono o furono inglobati da cellule ospiti di maggiori dimensioni. Queste due teorie hanno compartecipato ed è stata dimostrata la formazione di tutto il sistema di membrane interne (il nucleo prima di tutti gli altri organuli) e successivamente la seconda teoria ha introdotto i mitocondri per avere una produzione di energia maggiore. Le prime cellule eucariotiche erano organismi unicellulari eucariotici e tali cellule erano flagellate. Infatti tali organismi unicellulari eucariotici che arrivano sul pianeta appartengono al regno dei PROTISTI: sono i PROTOZOI. L’origine degli eucarioti è datata a 2.7 miliardi di anni fa. ORIGINE DELLE CELLULE EUCARIOTICHE, MODELLO ENDOSIMBIONTICO E AUTOGENO ESAME!!!! Successivamente avvenne il passaggio da unicellularità a pluricellularità; tale passaggio è venuto probabilmente avvenne circa 2,5 miliardi di anni fa. Tale passaggio è avvenuto grazie al fatto che gli eucarioti contengono gli STERANI, ovvero molecole derivate dagli steroidi attuali e sono dei marcatori di eucarioticità / BIOMARCATORI DI EUCARIOTICITÀ (indicano che si trattano di cellule eucariotiche). Le cellule eucariotiche producono sterani; le cellule procariotiche no. La transizione/passaggio da organismi unicellulari a pluricellulari avvenne per unione di cellule. Tali cellule si uniscono in amassi ma esse mantengono la loro individualità. Gli organismi animali che possiedono cellule in ammassi sono detti ORGANISMI COLONIALI. Essi sono formati da più cellule, ma ognuna mantiene la sua individualità/identità. Ogni cellula svolge tutte le attività che permettono a ogni cellula di restare in vita. Le forme coloniali di protozoi si aggregano e col passare del tempo parti della colonia inizia a specializzarsi. Queste cellule specializzate si trasformano in un organo; ogni organo svolge funzioni diverse. Da queste cellule coloniali che iniziano a specializzarsi, si originano gli INVERTEBRATI, organismi animali pluricellulari: -poriferi spugne -anellidi vermi -celenterati coralli -crostacei -molluschi calamari, seppie, vongole -insetti Differenziamento di strutture per la locomozione, l’alimentazione, la riproduzione Forme coloniali di protozoi Dal momento in cui organismi coloniali diventano organismi pluricellulari, occorre dare un ordine anche agli organi che si sono formati; per questo motivo si elabora un SISTEMA NERVOSO, ovvero un sistema di collegamento neuronale attraverso cellule specializzate (NEURONI) che mettono in collegamento tutti i sistemi e li coordinano. Negli invertebrati il sistema nervoso è un sistema molto rudimentale: sono poche cellule sparse che coordinano in modo disorganizzato. Il sistema nervoso diventa più coordinato e centralizzato nei molluschi cefalopodi (polpo, calamari, seppie). CEFALIZZAZIONE Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 26 Dagli invertebrati l’evoluzione porta all’origine dei VERTEBRATI. Sono organismi con dimensioni più grandi e quindi hanno bisogno di un asse centrale che sostenga anche il loro corpo. La forma di passaggio tra gli invertebrati e i primi vertebrati è l’anfiosso (è una sorta di calamaro che sviluppa uno SCHELETRO CENTRALE) che possiede uno scheletro centrale ben organizzato. -Possiedono una colonna vertebrale con strutture muscolari e ossee specializzate per il movimento (appendici). -Evoluzione delle strategie alimentari -Sviluppo centri sensoriali specializzati e cefalizzazione Gli invertebrati sono animali che vivono sul pianeta da miliardi di anni. I vertebrati: -pesci -anfibi -rettili -uccelli -mammiferi PESCI -Sviluppano uno SCHELETRO VERTEBRALE -Hanno RESPIRAZIONE BRANCHIALE estraggono ossigeno dall’acqua -Nuotano con le pinne -Non hanno né arti né dita -Non hanno capacità di deambulazione -Conducono vita acquatica Alcuni pesci però hanno la capacità di uscire dall’acqua e respirare ossigeno atmosferico (anguille, alcuni pesci africani) A un certo punto alcuni pesci escono dall’acqua e iniziano a respirare ossigeno atmosferico. Si ha il passaggio da pesci ad ANFIBI (rane, salamandre, tritoni). Sono organismi che nascono in acqua e poi subiscono una metamorfosi in cui le branchie regrediscono e sviluppano i polmoni (passano alla respirazione polmonare). Le pinne si trasformano in ARTI. Nascono così i TETRAPODI, ovvero organismi con 4 arti. Si passa da un ambiente prettamente acquatico a un ambiente sia acquatico che terrestre. Ci sono organismi che invece conducono vita prettamente terrestre come i RETTILI; sono organismi che nascono qualche centinaia di milioni di anni fa e vivono fino a circa 65 milioni di anni fa. Questo periodo è chiamato “Era Rettiliana” in cui i rettili (dinosauri) sono gli organismi principali che vivono sul pianeta fino a quando ci furono dei cambiamenti climatici molto rapidi (forse la collisione di un grosso meteorite che ha deviato l’asse del pianeta che ha portato a una glaciazione immediata non vantaggiosa per gli organismi a sangue freddo). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 27 Gli unici rettili che riescono a sopravvivere alla glaciazione sono quei rettili di piccole dimensioni che hanno la capacità di trovare dei rifugi. Infatti i rettili che oggigiorno sono presenti sul pianeta sono animali molto piccoli. Sono animali a sangue freddo (ETEROTERMI) e quindi devono cercare delle fonti di calore per termoregolarsi. Estinzione di massa dei dinosauri 65 milioni di anni fa Collisione catastrofica della terra con meteorite Cambiamenti climatici globali Scompaiono i rettili e si passa dall’ERA RETTILIANA all’ERA MAMMARIANA (mammiferi). I mammiferi sono animali a sangue caldo e quindi le mutazioni adattative e il vantaggio adattativo di questi animali sta nelle caratteristiche biologica di essere animali OMEOTERMI (animali a sangue caldo che sono in grado di mantenere costante la propria temperatura corporea). Scompaiono i dinosauri e nascono mammiferi impellicciati (clima freddo) Dal punto di vista anatomico cambia: -la posizione degli arti Rettili Sono animali lenti con una dislocazione arti che li porta ad avere un appiattimento del corpo (corpo a contatto con il terreno) Mammiferi Zampe più centrali -Visione Rettili Vista laterale Mammiferi visione anteriore con focale. Vedono molto distante EVOLUZIONE DELL’UOMO IL PERCORSO DI OMINAZIONE PRIMATI origine dei mammiferi comprendente Lemuri, Scimmie e l’Uomo Percorso di ominazione: evoluzione dell’uomo attraverso modificazioni legate a cambiamenti nel DNA che vengono fissati a livello ambientale perché risultano modificazioni vantaggiose. Noi apparteniamo all’ordine dei primati. I primati sono un ordine dei mammiferi caratterizzati da un dito della mano o del piede opponibile rispetto agli altri. Hanno acquistato una certa mobilità nella parte terminale degli atri per svolgere funzioni complesse. Ossa degli arti separate e articolate, mani e piedi molto sviluppati con cinque dita ciascuno, pollice e alluce opponibili, collo con capo girevole, occhi con visione anteriore, orbite con margine osseo completo. Ai primati (ordine dei mammiferi) appartengono una serie di animali, da quelli più recenti nella storia naturale del pianeta che sono gli animali filogeneticamente (geneticamente) più vicini all’uomo come gli scimpanzè e i gorilla a animali più che sono filogeneticamente più antiche (es. lemuri del Madagascar). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 30 -Attaccatura colonna vertebrale molto posteriore -Bacino molto stretto e alto Uomo: alzandosi su due gambe allarga il bacino siccome portiamo all’interno tutti i nostri organi interni della cavità addominale che vengono dislocati in modo diverso rispetto ai primati. L’attaccatura delle vertebre cervicali si attaccano al cranio in posizione più anteriore. Si ha uno sviluppo della massa encefalica e si sviluppa il cervelletto (deputato al mantenimento e controllo del equilibrio). I primi ominidi che camminano su due zampe sono gli australopitechi Dopo l’australopiteco si passa agli organismi appartenenti al genere HOMO; il passaggio di classificazione tra australopiteco e homo viene definito dal cambiamento della scatola cranica: gli australopiteci hanno una scatola cranica che ricorda ancora quello delle scimmie mentre nel genere homo il cranio è molto simile al nostro. Lo sviluppo corporeo aumenta, il cranio si è modificato perché l’encefalo si è raddoppiato rispetto a quello degli australopiteci. Ramapithecus, Aegyptopithecus Australopithecus Homo habilis, homo ergaster e homo erectus cambiamento della scatola cranica perché il cervello si è raddoppiato rispetto a australopiteco Homo neandertalensis e Homo sapiens uomo di Neanderthal e uomo sapiens Il primo ominide con le caratteristiche più umane è l’HOMO ERECTUS (o homo ergaster) il cui cranio assume conformazione più simile alla nostra. È il primo ominide che camminava su due gambe e con un cranio simile al nostro. Prove scientifiche provano che sino a 3000 anni fa la popolazione europea era una popolazione di colore. L’homo erectus si sviluppa in Africa insieme all’australopiteco ma ad un certo punto migra allontanandosi dall’Africa; sapeva utilizzare attrezzi e inizia ad avere uno sviluppo culturale. Andandosene dall’Africa dà vita a una serie di forme di ominidi in altre regioni del pianeta: -UOMO DI NEANDERTHAL deriva dall’homo erectus il processo di trasformazione è avvenuto principalmente in medio oriente. Vive tra 300 000 e 30 000 anni fa e poi si estingue di colpo. In Africa l’homo erectus africano dà vita a una nuova specie che è l’homo sapiens da cui discenderà poi a sua volta l’uomo moderno. L’uomo non deriva dall’uomo di neanderthal (che deriva dall’homo erectus attraverso un processo di speciazione in qualche parte del pianeta) ma dall’homo erectus per un processo di speciazione avvenuta in Africa circa 150 mila anni fa. La nostra specie nasce 150 000 anni fa. A un certo punto anche l’homo sapiens decide di migrare e andarsene dall’Africa alla ricerca di nuove risorse e habitat più idonei. Laddove nasce il sapiens e il sapiens migra, quando il Sapiens viene a contatto con il Neanderthal, il Neanderthal si estingue. Una percentuale compresa tra il 5-10% della popolazione mondiale ha nel proprio genoma sequenze di Neanderthal. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 31 -BOSCIMANI sono i primi Sapiens che nascono 100 000 anni fa, sono nati in Africa ma che migrano dall’Africa e vanno verso est (Asia, Oceania). Hanno un taglio degli occhi a mandorla. Quando arriva in Europa si estingue il Neanderthal. Biologicamente la differenza genetica tra uomo e scimpanzè è minima 1,7 – 1,8% di differenze nelle sequenze nucleotidiche del DNA. La differenza sta principalmente nella cultura. La culturalità umana è unica nelle diverse specie animali. La specie umana è l’unica in cui il bambino nasce con un movimento rotatorio siccome nell’uomo si è accorciato il bacino e la rotazione del bambino non è completa. La specie umana è l’unica specie che ha necessità di formare gruppi famigliari saldi che danno l’avvio a una culturalità più importante rispetto a quello che avviene negli altri animali. La culturalità nella specie umana fa sì che biologicamente il nostro organismo si modifichi per essere in grado di produrre un linguaggio articolato. Il linguaggio è una forma di passaggio tra l’evoluzione biologica e culturale. EVOLUZIONE BIOLOGICA (ISTINTO) vs. EVOLUZIONE CULTURALE (ESPERIENZA) 1. Postura eretta 2. Modifiche anatomiche 3. Sviluppo encefalo 4. Cure parentali 5. Apprendimento 6. Linguaggio 7. Trasmissione culturale 8. Sviluppo agricoltura 9. Insediamenti permanenti 10. Rivoluzione industriale 11. Biotecnologie 4 tappe evolutive fondamentali nel percorso evolutivo umano dal punto di vista culturale: -sviluppo iniziale di gruppi sociali all’interno dei primi ominidi (società cacciatori-raccoglitori) -sviluppo agricoltura (neolitico) -sviluppo industriale -rivoluzione tecnologica L’evoluzione biologica è legata a modelli scientifici che oggigiorno si rifanno alle teorie scientifiche sull’evoluzione elaborate da Darwin. L’evoluzione culturale non segue modelli darwiniani ma segue modelli lamarckiani perché c’è una crescita culturale data dall’apprendimento (caratteri acquisiti e trasmissione dei caratteri acquisiti – uso e disuso). L’evoluzione esiste anche per i virus: ciò che cambia è la scala dei tempi; nei virus l’evoluzione è su scala microtemporale. MACROEVOLUZIONE Cambiamenti evolutivi che richiedono secoli o millenni (o tempi maggiori) per manifestarsi MICROEVOLUZIONE Cambiamenti evolutivi che si verificano in un arco di tempo relativo ad un esiguo numero di generazioni (1 generazione) Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 32 TEORIA CELLULARE: Tutti gli organismi sono composti da cellule, e tutte le cellule derivano da altri elementi cellulari Le cellule più semplici sono le cellule procariotiche Sono le cellule più piccole con una dimensione compresa tra i 5 e i 10 micron. 1 µm = 1×10⁻⁶m Derivano dai protobionti. Sono dei sistemi viventi costituiti da: 1. : Parete cellulare rigida (cellula poco dinamica) che non può modificare la sua morfologia (cellula a morfologia fissa). È un supporto meccanico in grado di stabilizzare la forma della cellula. Alcuni dei polisaccaridi che la costituiscono agiscono da potenti tossine. La parete cellulare è costituita da una sostanza chiamata PEPTIDOGLICANO. Il peptidoglicano è un polimero costituito da zuccheri e amminoacidi. Possiede delle fibrille di carboidrati composte da due tipi di zuccheri: -acido N-acetilmuramico -N-acetilglucosamina È un polimero costituito da due tipi di carboidrati che, polimerizzando, formano lunghe fibrille legate tra loro da ponti peptidici (ponti di 4-5 amminoacidi che uniti tra loro fissano a ponte le diverse fibrille dando così una struttura molto rigida). Possono essere inglobati nella parete cellulare anche dei lipopolisaccaridi (tossine) che hanno un’azione tossica sulle cellule animali (i batteri possono avere una certa pericolosità anche per alcune tossine che contengono). Le tossine prodotte dai batteri possono essere: -endotossine sostanze chimiche tossiche presenti all’interno della parete cellulare Sono solitamente di natura lipopolisaccaridica (strutture che si trovano nella parete cellulare) -esotossine tossine che il batterio produce e che rilascia all’esterno della cellula Hanno un’azione neurotossica (hanno tossicità sul sistema nervoso) come per esempio la tossina tetanica; oppure possono avere un’azione enterotossica. La parete è diversa in ogni specie batterica ed attraverso la colorazione di Gram, che utilizza specifici coloranti citologici, è possibile identificare le varie specie: Gram positivi viola parete molto ricca di peptidoglicano Gram negativi rosso ha una componente più ridotta di peptidoglicano. Lo spessore della parete è uguale a quella dei Gram positivi perché è presente un’ulteriore membrana esterna che contiene lipopolisaccaridi di membrana; solo lo strato di peptidoglicano è inferiore. TOSSINE Endotossine G- (LPS Parete cellulare) Esotossine G+ e G- (Proteine neurotossiche, citotossiche, enterotossiche) Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 35 I batteri comunicano tra di loro con sostanze autoinducenti (per raggiungere il quorum sensing) cioè sostanze che portano un segnale al batterio stesso e ai batteri vicini per aumentare il tasso di proliferazione. Queste sostanze autoinducenti si differenziano in: -batteri GRAM POSITIVI comunicatore cellulare: PEPTIDE RIBOSOMIALE INDUTTORE (AIP) (breve sequenza di amminoacidi prodotti dai ribosomi che portano un segnale induttore) -batteri GRAM NEGATIVI comunicatore cellulare: OMOSERINA LATTONE ACETILATA (AHLs) Batteri saprofiti: si nutrono della sostanza organica che trovano sulle cellule (della nostra pelle) ma allo stesso tempo ci proteggono (es. protezione da infezioni da funghi). I batteri cercano di vivere approfittandosi delle cellule del nostro organismo; alcuni sono saprofiti commensali (convivono con le nostre cellule), altri sono batteri patogeni. Alcuni batteri hanno la capacità di produrre tossine (es Clostridium tetani che produce la tetanospasmina, Clostridium Botulinum) altri (endospore). I clostridi sono in grado di produrre sia endotossine che spore; le spore sono delle strutture subcellulari che hanno la possibilità di rimanere quiescenti quando l’ambiente non è idoneo. Quando l’habitat non è idoneo la cellula muore ma rilascia tali spore nell’ambiente e quando le condizioni ritornano ottimali, la spora germina e ridà vita alla cellula. Dalla spora rinasce la cellula. I procarioti sono organismi di grande successo in termini di numero e distribuzione. Il loro successo è in gran parte dovuto alla loro notevole capacità di riprodursi rapidamente. I procarioti si riproducono in modo asessuato, generalmente per scissione binaria, un processo in cui una cellula si divide in due cellule simili. Una forma meno comune di riproduzione asessuata tra i batteri è la gemmazione. In gemmazione, una cellula sviluppa un rigonfiamento, o gemma, che si allarga, matura e alla fine si separa dalla cellula madre. Sono degli organismi semiviventi in quanto sono particelle costituiti da strutture acellulari e non possono svolgere attività metaboliche o riprodursi da soli; per questo motivo non sono definibili sistemi viventi a tutti gli effetti ma vengono considerati come organismi semiviventi. Sono dei semplici aggregati macromolecolari che per poter svolgere il loro ciclo vitale devono per forza parassitare sistemi viventi (cellule). NON SONO ENTITIA’ CELLULARI. Non hanno i componenti necessari per portare avanti la respirazione cellulare o per sintetizzare proteine e altre molecole. Si replicano invadendo le cellule viventi e controllando il loro meccanismo metabolico. Per moltiplicarsi, un virus deve infettare una cellula in cui può replicarsi. Quindi, i virus sono PARASSITI ENDOCELLULARI OBBLIGATI; sopravvivono solo utilizzando le risorse di una cellula ospite. Non hanno attività metabolica non disponendo degli organuli ed enzimi necessari per la sintesi proteica, la replicazione e la trasformazione dell’energia. Sono aggregati macromolecolari costituiti da un acido nucleico al centro e un rivestimento esterno di natura proteica o lipoproteica. Hanno dimensioni e morfologie molto variegate: alcuni hanno forma cilindrica altri icosaedrica (poliedro con 20 facce) o sferica. La maggior parte ha dimensioni comprese tra 20 e 300 nm. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 36 I virus infettano tutti i tipi di organismi, inclusi batteri, archei, protisti, piante, funghi e animali. Alcuni virus infettano anche altri virus (virus satelliti). I virus che infettano i batteri sono chiamati BATTERIOFAGI. La loro struttura più comune consiste in una lunga molecola di acido nucleico (solitamente dsDNA) avvolta a spirale all'interno di una testa poliedrica. La maggior parte ha una coda, che può essere contrattile e può funzionare nella penetrazione della cellula ospite. Una singola particella virale che si trova al di fuori della cellula ospite è definita VIRIONE ed è costituita da una parte centrale in cui è presente l’acido nucleico. L’acido nucleico dei virus può essere: -a DNA a singolo (ssDNA) o a doppio filamento (dsDNA) circolare o filamentoso -a RNA a singolo (ssRNA) o a doppio filamento (dsRNA) circolare o filamentoso Il genoma del virus nella maggior parte delle specie virali è formato tipicamente da 5.000 a più di 100.000 basi o coppie di basi. L’acido nucleico centrale è contornato da una serie di proteine che costituiscono un involucro (CAPSIDE). L’acido nucleico e il capside costituiscono un sistema chiamato NUCLEOCAPSIDE (associazione dell’acido nucleico virale con i monomeri proteici di rivestimento che costituiscono il capside). Le proteine che costituiscono il capside sono chiamate CAPSOMERI. Altri virus si ricoprono di un involucro lipoproteico esterno al capside molto simile alla membrana plasmatica, il PERICAPSIDE, e tra le varie lipoproteine sono presenti delle appendici esterne (proteine che si vanno ad agganciare ai recettori specifici delle cellule da parassitare. Es. proteina ace della proteina spike del Coronavirus). Un virus è un parassita endocellulare obbligato, i virus hanno difficoltà di sopravvivenza al di fuori delle cellule perché l’acido nucleico ha pochissimi geni e non porta geni in grado di fargli produrre apparati di tipo metabolico. Deve quindi parassitare cellule che contengono quei sistemi che possano consentirgli un certo livello di metabolismo. Nello svolgere il suo ciclo biologico, rivolto specialmente a moltiplicarsi, un virus può portare la cellula a una lisi cellulare (rottura della cellula). Le cellule virulentate dai virus muoiono o per lisi cellulare o per apoptosi (modalità di morte cellulare dove l’organismo non si accorge delle sue cellule che stanno morendo). Alcuni virus (oncovirus) non portano alla morte cellulare ma riescono a trasformare la cellula in cellule tumorali (trasformazione differenziativa). Anche le verruche sono tumori benigni, sono su base virale e sono dovute a virus simili al papillomavirus. I virus usano le loro informazioni genetiche per costringere le loro cellule ospiti a replicare il loro acido nucleico virale e per produrre le proteine di cui hanno bisogno. Il ciclo riproduttivo dei virus inizia con un virus che entra in contatto con una cellula ospite. Il virus in genere si attacca alla superficie della cellula ospite. L'acido nucleico virale deve entrare nella cellula ospite e sintetizzare i componenti di cui ha bisogno per riprodursi. Quindi, i componenti virali vengono assemblati e i virus vengono rilasciati dalla cellula, pronti a invadere altre cellule. I virus sono specie-specifici e molti hanno un TROPISMO (affinità selettiva) SELETTIVO PER DETERMINATI TESSUTI (es. virus HBV, HCV colpisce gli epatociti; l’HIV colpisce i recettori CD4 delle lifociti T-helper). Il virus dell’HIV ha un genoma ad RNA ed è in grado di produrre una proteina, la trascrittasi inversa. L’RNA del virus viene convertito in DNA dalla trascrittasi inversa (enzima virale) e questo DNA copia si può inserire nel DNA cellulare. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 37 La trascrittasi inversa è il bersaglio farmacologico nella terapia dei sieropositivi. Possono avere due cicli riproduttivi diversi: - i virus entrano nelle cellule con meccanismi legati a recettori che li legano al citoplasma e che permettono di attraversare la membrana plasmatica; una volta all’interno della cellula liberano il proprio genoma. Tale genoma viene replicato grazie a enzimi che si trovano nella cellula e parallelamente, attivata la sintesi proteica con i ribosomi cellulari, si formano nuove particelle virali che devono uscire dalla cellula. Il genoma virale entra nella cellula. replica il proprio DNA e i propri capsomeri, fa copie di nuovi virioni che rompono meccanicamente la cellula e fuoriescono andando a infettare ulteriori cellule. In un ciclo litico, il virus lisa (distrugge) la cellula ospite. Quando il virus infetta una cellula ospite suscettibile, costringe l'ospite a utilizzare il suo meccanismo metabolico per replicare le particelle virali. CICLO LITICO 5 PASSAGGI: 1. Attaccamento Il virus si lega a specifici recettori sulla cellula ospite. Questo processo (o adsorbimento) garantisce che il virus infetti solo il suo ospite specifico. 2. Penetrazione Il virus penetra nella membrana plasmatica dell'ospite e si sposta nel citoplasma. Molti virus che infettano le cellule animali entrano intatti nella cellula ospite. Alcuni fagi iniettano solo il loro acido nucleico nel citoplasma della cellula ospite; il capside rimane all'esterno. 3. Replicazione e sintesi Il genoma virale contiene tutte le informazioni necessarie per produrre nuovi virus. Una volta all'interno, il virus degrada l'acido nucleico della cellula ospite e usa gli organuli cellulari per replicare il proprio acido nucleico e per produrre proteine virali. Molti farmaci antivirali interferiscono con la replicazione dell'acido nucleico virale. 4. Assemblaggio I componenti virali appena sintetizzati sono assemblati formando nuovi virioni. 5. Rilascio I virus assemblati vengono rilasciati dalla cellula. In genere, gli enzimi litici, prodotti dal fago alla fine del processo di replicazione, distruggono la membrana plasmatica dell'ospite. - alcuni virus alternano il ciclo litico al ciclo lisogenico. In questo ciclo il virus entra nella cellula una prima volta, rilascia l’acido nucleico che non diventa attivo ma si va a integrare all’interno del genoma della cellula ospite e resta lì senza esprimersi e rimane latente. Quando poi si attiva e il suo genoma si esprime, la sua espressione può portare all’uccisione delle cellule senza che l’organismo se ne renda conto. In un ciclo lisogenico, il genoma virale di solito si integra nel DNA batterico ospite. Quando il DNA batterico si replica, si replica anche il virus. I geni virali che codificano per le proteine strutturali virali possono essere repressi indefinitamente. Le cellule batteriche che trasportano tali virus sono chiamate cellule lisogeniche. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 40 COMPARTIMENTI INTRACITOPLASMATICI E STRUTTURE ASSOCIATE 1. Nucleo con nucleolo 2. Mitocondri 3. RER 4. REL 5. Apparato di Golgi 6. Centrioli 7. Ribosomi 8. Lisosomi e perossisomi 9. Vacuoli contrattili (protozoi) ESAME Classificazione dal punto di vista dinamico (per il tipo di vita che svolgono) rientra nella CLASSIFICAZIONE DI BIZZOZERO basata sul ciclo cellulare delle cellule viventi (animali) • CELLULE LABILI sono cellule con una durata breve di vita e sono in continua proliferazione e in continuo rinnovamento (es. cellule epiteliali, globuli bianchi, reticolociti (cellule che producono i globuli rossi), enterociti della mucosa intestinali). Sono solitamente cellule epiteliali (degli epiteli) e sono quelle che rivestono la parte esterna o quella più interna degli organi. Durata della vita ridotta, alta capacità proliferativa, turnover rapido (rinnovamento di elementi strutturali o funzionali all'interno di una cellula o di un tessuto). • CELLULE STABILI es epatociti Sono cellule che avrebbero la capacità di proliferare ma si fermano in uno stadio di stabilità. Quando il fegato raggiunge la sua dimensione adeguata, si bloccano. Riescono e ripartire e a proliferare ma solo se necessario. Vanno a ricostituire la parte mancante. • CELLULE PERENNI Sono le cellule dei principali organi nobili come il cuore e il sistema nervoso. Cellule che hanno perso la capacità replicativa, noi nasciamo con un numero di cellule cerebrali e del cuore fisso; se perdiamo quelle cellule rimaniamo con una lesione che non può essere riparata. Esiste un’altra classificazione più moderna rispetto a quella di Bizzozzero che fa invece riferimento alla mitosi delle cellule. CLASSIFICAZIONE DI COWDRY fa riferimento alla mitosi (per proliferazione cellulare si intende la mitosi) -ELEMENTI INTERMITOTICI VEGETATIVI corrispondono alle cellule labili Sono elementi che hanno una vita vegetativa (vivono tra due mitosi): la cellula nasce da una mitosi e deve arrivare alla mitosi successiva -ELEMENTI POSTMITOTICI REVERSIBILI corrispondono alle cellule stabili Sono elementi che nascono da una mitosi e poi entrano in uno stato di stabilità reversibile in quanto possono compiere la mitosi qualora sia necessaria. -ELEMENTI POSTMITOTICI FISSI corrispondono alle cellule perenni Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 41 TECNICHE DI MICROSCOPIA Sono tecniche che ci permettono di capire e osservare le strutture cellulari: le cellule non sono visibili a occhio nudo e quindi è necessario utilizzare dei sistemi di ingrandimento. Esistono due diversi tipi di microscopia: • microscopia ottica microscopio ottico • microscopia elettronica Microscopio elettronico a trasmissione: riesce ad attraversare una cellula con dei fasci elettronici e in base a come vengono deviati viene creata un’immagine Microscopio elettronico a scansione: fa una scannerizzazione e riporta un’immagine tridimensionale Sono tecniche microscopiche legate al loro POTERE DI RISOLUZIONE: capacità di DIFFERENZIARE LA MINIMA DISTANZA TRA DUE OGGETTI. Minima distanza tra due oggetti che consente di distinguerli come strutture separate. Occhio umano potere di risoluzione: 0,1 mm Microscopio ottico potere di risoluzione: 1000 ingrandimenti dell’occhio umano 0,2 micron Microscopio elettronico potere di risoluzione: 1-2 nanometro 250 000x l’occhio umano COLTURE CELLULARI Le cellule possono essere coltivate in vitro (colture cellulari). Tecniche di analisi cellulari: tecniche di “congelamento e rottura” permette di studiare strutture subcellulari (es. proteine della membrana cellulare). Per svolgere le numerose reazioni chimiche necessarie per sostenere la vita, la cellula deve mantenere un ambiente interno appropriato. Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica che la separa fisicamente dal mondo esterno e la definisce come un'entità distinta. Regolando il passaggio dei materiali dentro e fuori la cellula, la membrana plasmatica aiuta a mantenere un ambiente interno vitale. Le cellule eucariotiche sono caratterizzate da numerosi organelli circondati da membrane. Le membrane biologiche sono strutture complesse e dinamiche costituite da molecole lipidiche e proteiche in costante movimento. Le proprietà delle membrane consentono loro di svolgere molte funzioni vitali. Regolano il passaggio dei materiali, dividono la cellula in compartimenti, fungono da superfici per reazioni chimiche, aderiscono e comunicano con altre cellule e trasmettono segnali tra l'ambiente e l'interno della cellula. Sono essenzialmente dei sistemi di barriera che consentono il passaggio di determinate sostanze dall’esterno all’interno e viceversa. Le membrane biologiche sono SELETTIVAMENTE PERMEABILI ovvero lasciano passare delle sostanze, ma selezionano quali sostanze possono passare sulla base di tre aspetti fondamentali: -natura chimica della sostanza -dimensione della sostanza (piccolo ione o grossa macromolecola, cellula) -ingombro sterico ingombro geometrico della sostanza Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 42 MODELLI STRUTTURALI DI MEMBRANA 1895 Overton: membrane composte da lipidi 1917 Langmuir: sintetizza membrana artificiale 1925 Gorter e Grendel: ipotizzano il doppio strato fosfolipidico negli eritrociti 1953 Davson e Danielli: modello a sandwich 1972 Singer e Nicolson: modello a mosaico fluido I globuli rossi sono cellule particolari perché sono formati solo dalla membrana plasmatica e non hanno un nucleo, all’interno c’è solo il citoplasma che contiene una proteina (emoglobina, che ha la funzione di trasportare l’ossigeno). Dalla fine dell’ ‘800 si è capito che le membrane biologiche sono membrane prevalentemente di natura lipidica. Sono strutture che hanno una scarsa affinità con l’acqua. Nel 1925 Gorter e Grendel sono i primi ad ipotizzare che la membrana plasmatica fosse formata da un doppio strato fosfolipidico. La membrana plasmatica è formata da un doppio strato fosfolipidico [i fosfolipidi sono molecole anfotere, ovvero possiedono una testa polare formata da un gruppo fosfato) e due code apolari di acidi grassi]. Due sono stati i MODELLI fondamentali della membrana: -Modello a sandwich (a panino) di Davson e Danielli i fosfolipidi sono in mezzo a due strati di natura proteica -Modello A MOSAICO FLUIDO di Singer e Nicolson: modello reale Le proteine sono inserite nel doppio strato della membrana senza coprirla completamente. Esistono due principali tipologie di proteine presenti a livello della membrana plasmatica: -PROTEINE INTRINSECHE o integrali di membrana: attraversano tutta la membrana (attraversano la membrana da parte a parte) hanno una componente polare affine alle teste e una componente più interna apolare che ha affinità con le code. Sono saldamente legate alla membrana. Queste proteine sono anfipatiche: le loro regioni idrofile si estendono fuori dalla cellula o nel citoplasma, mentre le loro regioni idrofobiche interagiscono con le code di acidi grassi dei fosfolipidi di membrana. -PROTEINE PERIFERICHE o estrinseche sono proteine posizionate sulla superficie esterna o interna della membrana; sono ricche di amminoacidi polari e non riescono a entrare nel doppio strato fosfolipidico. Le proteine non sono ferme in un punto ma hanno la capacità di muoversi: infatti è una membrana a mosaico fluido. In un mosaico fluido le proteine possono spostarsi con movimenti che sono veloci sul piano orizzontale e lenti sul piano verticale Sulla membrana è presente anche colesterolo (molecola lipidica) che stabilizza la membrana e la stabilizza in base alla temperatura: quando la temperatura si alza, la membrana tende a essere più fluida mentre quando la temperatura si abbassa, la membrana tende a stabilizzarsi e a diventare più rigida. Il colesterolo conferisce stabilità alla membrana cellulare. (zattere lipidiche: punti della membrana in cui ci sono più proteine vicine che si muovono all’unisono). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 45 L’acqua è un’eccezione perché, nonostante sia una molecola polare, riesce a passare facilmente la membrana perché l’acqua ha dei canali specifici dedicati, le ACQUAPORINE, canali specifici per il passaggio dell’acqua (sostanza polare) sempre aperti presenti a livello della membrana. L’acqua può entrare e uscire in un processo chiamato OSMOSI. I passaggi di acqua sono chiamati FLUSSI OSMOTICI (flussi legati al movimento dell’acqua libera di passare attraverso le acquaporine in relazione alla concentrazione di soluto) OSMOSI: movimento passivo dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile in relazione al concentrazione di soluto. (Soluzione fisiologica 0.9% NaCl, g/ml) L'osmosi è un tipo speciale di diffusione che comporta il movimento netto dell'acqua (il principale solvente nei sistemi biologici) attraverso una membrana selettivamente permeabile da una regione a concentrazione più alta a una regione a concentrazione più bassa. Le molecole d'acqua passano liberamente in entrambe le direzioni, ma come in tutti i tipi di diffusione, il movimento netto va dalla regione in cui le molecole d'acqua sono più concentrate alla regione in cui sono meno concentrate. Pressione osmotica: pressione che bisogna applicare alla membrana per interrompere l’entrata di acqua. Definiamo la pressione osmotica di una soluzione come la pressione che deve essere esercitata per impedire la diffusione dell'acqua (per osmosi) dal lato contenente la minore concentrazione di soluto. L’acqua passa liberamente da dove c’è più acqua a dove ce n’è meno ma allo stesso tempo dove c’è più acqua c’è meno soluto (zona meno concentrata) L‘acqua fluisce da zone meno concentrate di elettroliti/soluto (ipotoniche) a zone più concentrate (ipertoniche). DOMANDA ESAME GLOBULO ROSSO IN SOSTANZA IPERTONICA: globulo rosso raggrinzisce perché c’è più soluto nell’ambiente extracellulare e quindi libera acqua (la cellula perde il suo volume) Ambiente extracellulare ipotonico: cellula si gonfia perché l’acqua tende ad entrare fino ad arrivare alla lisi cellulare per shock osmotico e la cellula si rompe. Soluzione isotonica: Quando una cellula viene inserita in una soluzione isotonica, non si verifica alcun movimento netto delle molecole d'acqua, né in o fuori dalla cella. La cellula non si gonfia né si restringe. La concentrazione extracellulare è uguale quella dell’ambiente intracellulare. Soluzione ipertonica: La soluzione ha una concentrazione di soluti maggiore rispetto a quella dell’ambiente intracellulare; una cellula posta in tale soluzione raggrinzisce perché libera acqua all’esterno per diluire la soluzione extracellulare. Soluzione ipotonica: La soluzione ha una concentrazione di soluto inferiore alla concentrazione dell’ambiente extracellulare; la cellula si gonfia facendo entrare acqua dall’esterno e possono eventualmente scoppiare (lisi). I flussi osmotici sono flussi di trasporto passivo Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 46 Passaggio di una sostanza da un ambiente a minor concentrazione verso un ambiente a maggior concentrazione di sostanza. Trasferimento di un soluto contro gradiente di concentrazione. La cellula consuma energia sottoforma di ATP e GTP. Le proteine che compiono trasporto attivo sono chiamate “TRASPORTATORI ABC” (“cassetti leganti ATP” sono una cinquantina di proteine che hanno la capacità di trasferire molecole ai due lati della membrana contro gradiente di concentrazione. Esistono due forme di trasporto attivo: -Trasporto attivo primario: è la proteina che trasporta le sostanze contro gradiente (es. pompa sodio-potassio). L’energia vinee fornita direttamente dall’idrolisi di ATP -Trasporto attivo secondario: il funzionamento del trasportatore è subordinato al funzionamento di un’altra proteina che trasporta un’altra sostanze e fornisce al primo trasportatore ioni H+.(es. cotrasporto Na-Glucosio). L’energia necessaria non viene fornita dall’idrolisi di ATP ma viene sfruttata l’energia del passaggio di una molecola a favore di gradiente per trasportare un’altra molecola contro gradiente. Il trasporto attivo secondario sfrutta l'energia cinetica di uno ione che si muove passivamente secondo il suo gradiente di concentrazione per trasportare una molecola o un altro ione contro gradiente. Queste forme di trasporto si possono chiamare anche: -SIMPORTO o cotrasporto: quando le due specie chimiche vengono portate insieme (es. cotrasportatore idrogeno-saccarosio). Entrambe le specie chimiche vanno nella stessa direzione. Consente il passaggio contemporaneo e nella stessa direzione di due molecole differenti -ANTIPORTO co controtrasporto: es pompa sodio-potassio Trasporto di sostanze in direzione opposta Consente il passaggio contemporaneo ma in direzioni opposte di due molecole differenti. POMPA SODIO-POTASSIO: È una specifica proteina trasportatrice nella membrana plasmatica che ha la capacità di scambiare ioni sodio e ioni potassio tra i due lati della cellula. La pompa sodio-potassio è un sistema di trasporto attivo primario che necessita dell’energia dell’ATP. Ogni ciclo competo utilizza una molecola di ATP e la pompa porta fuori 3 ioni Na+ e vengono portati dentro 2 ioni K+. Si tratta di un TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO; la pompa sodio potassio è una forma di ANTIPORTO (trasporto opposto). Le pompe sodio-potassio sono proteine transmembrana che si estendono interamente attraverso la membrana. Subendo una serie di cambiamenti conformazionali, le pompe scambiano il sodio con il potassio attraverso la membrana plasmatica. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 47 A differenza di quanto avviene nella diffusione facilitata, almeno uno dei cambiamenti conformazionali nel ciclo della pompa richiede energia, fornita dall'ATP. La forma della proteina cambia quando un gruppo fosfato dell'ATP si lega ad essa per primo e viene successivamente rimosso nel ciclo di pompaggio. È una proteina importante per i tessuti eccitabili (tessuto nervoso e tessuto cardiaco). Le cellule passano da condizioni di riposo a condizioni di attivazione (da potenziale di membrana a riposo a potenziale d’azione). Quando la cellula cardiaca si attiva si ha la contrazione cardiaca (sistole), quando invece la cellula si trova in una condizione riposo si ha il rilassamento cardiaco (diastole). La cellula si attiva quando passa da una condizione di riposo (potenziale di membrana a riposo) a una condizione di attività (potenziale d’azione). La cellula riesce a cambiare il suo potenziale di riposo: a riposo la membrana è polarizzata negativamente all’interno e positivamente all’esterno; questo perché la concentrazione di Na+ è maggiore all’esterno della cellula rispetto all’ambiente intracellulare; questi ioni polarizzano positivamente la superficie esterna della membrana. A livello intracellulare è presente K+ ma allo stesso tempo sono presenti molte proteine cariche negativamente: la superficie interna della cellula è polarizzata negativamente. In questa condizione la cellula è a riposo. Ogni qualvolta dall’esterno riesce ad entrare il sodio molto rapidamente nella cellula, c’è un’inversione di polarizzazione, entrano molte cariche positive e quindi la membrana interna si polarizza positivamente mentre quella esterna negativamente. L’inversione del potenziale di membrana scatena il potenziale d’azione e la cellula si contrae (diventa attiva). Ovviamente devono esistere dei sistemi di controllo: siccome normalmente il sodio è più concentrato a livello extracellulare, tende ad entrare per diffusione semplice, ma se la cellula non si deve attivare, man mano che il sodio entra la pompa sodio-potassio lo riporta fuori. Il potassio invece cerca di uscire dall’ambiente intracellulare ma se la cellula non deve attivarsi, il potassio che esce deve essere rimesso all’interno della cellula pompandolo contro gradiente di concentrazione. ????I siti di attacco del potassio sono chiusi quando la proteina si apre verso l’esterno liberando il sodio e successivamente, cambiando le condizioni chimiche, è chiusa verso l’esterno quando il potassio viene riportato all’interno Quando i siti del potassio sono rivolti verso l’intracellulare sono chiusi mentre quando sono rivolti verso l’extracellulare sono aperti. ??? Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 50 È una funzione della membrana cellulare molto importante in quanto ci fa capire come le cellule siano in grado di dialogare tra di loro. Il dialogo è basato su sostanze molto importanti. Esistono 3 tipi di comunicazione: -comunicazione di tipo elettrico rapida, basata su segnali elettrici -comunicazione di tipo chimico basata sull’emissione di molecole che partendo da una determinata cellula devono portare un segnale a un’altra cellula è una comunicazione lenta -comunicazione di tipo elettrico-chimica 1. COMUNICAZIONE ELETTRICA La comunicazione elettrica avviene nelle cellule eccitabili (le cellule eccitabili in un animale sono principalmente i miocardiociti del cuore e le cellule del tessuto nervoso; in realtà la comunicazione a livello interneuronale è una comunicazione ibrida di tipo elettrico-chimico.) La comunicazione elettrica è basata sulla generazione di segnali elettrici che si generano in base a flussi di ioni (flussi ionici) tra l’interno e l’esterno della cellula. La membrana plasmatica presenta una polarizzazione (ovvero c’è una differenza di carica tra la superficie interna e quella esterna). Na+ più abbondante all’esterno della cellula K+ più abbondante all’interno della cellula La membrana plasmatica è polarizzata positivamente all’esterno della cellula mentre è polarizzata negativamente all’interno della cellula. Differenza di potenziale della membrana di una cellula a riposo=-70 mV (differenza di potenziale tra esterno ed interno) POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO Nelle cellule eccitabili (miocardiociti e neuroni) la trasmissione del segnale avviene sfruttando il flusso di ioni. Se è presente molto Na+ all’esterno della cellula, esso tende ad entrare per garantire l’omeostasi della cellula; se entrano delle cariche positive però viene modificato il potenziale della membrana, la cellula cambia il suo stato di polarizzazione e la ddp aumenta andando verso la positività. Se la cellula è a riposo, il sodio che tende ad entrare viene portato fuori dalla pompa sodio- potassio. Ci sono però dei momenti in cui alcune cellule del cuore (ogni secondo circa) lasciano entrare una quantità di sodio per far avvenire la contrazione cardiaca. Quando il sodio che è entrato porta a un sufficiente aumento della differenza di potenziale (-50 mV, valore soglia), tutti i canali del sodio voltaggio-dipendenti si aprono e fanno entrare un gran quantitativo di ioni Na+. Si ha un flusso massivo di sodio che entra nella cellula. Tutto ciò fa cambiare il potenziale di membrana che diventa positivo internamente e negativo esternamente (INVERSIONE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA). La membrana si DEPOLARIZZA (+40 mV) e si viene a creare un POTENZIALE DI AZIONE che mette in azione la cellula (quando si innesca il potenziale d’azione, la cellula cardiaca si contrae e il segnale elettrico viene poi propagato a tutte le cellule del cuore partendo dal NODO SENOATRIALE). Il potenziale esterno diventa negativo. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 51 Una volta che la cellula si è contratta, la pompa sodio-potassio deve riequilibrare il tutto portando fuori il sodio per far invertire il potenziale di membrana a valori negativi. Quando la pompa ristabilisce il potenziale di riposo, porta il potenziale a un valore più basso rispetto a quello del potenziale di riposo per fare in modo che ci sia un momento della vita della cellula dove questa non possa essere eccitabile (IPERPOLARIZZAZIONE). Il tessuto cardiaco è chiamato anche “sincizio” perché le cellule del cuore sono tutte vicine tra di loro; le membrane cellulari sono fuse tra di loro e hanno dei canali che consento il passaggio di ioni da cellula a cellula. Nel momento in cui si genera un potenziale d’azione in una cellula, esso viene subito propagato alle cellule adiacenti grazie all’apertura dei canali del sodio. La depolarizzazione parte da un punto specifico (nodo senoatriale) e la contrazione del cuore avviene progressivamente. In alcune persone i canali del sodio possono funzionare in modo non adeguato (i canali sono delle proteine e l’apertura non corretta può avvenire a causa di mutazioni genetiche nel DNA) e possono aprirsi in modo indipendente. Se si contraggono gli atri e allo stesso tempo si contraggono anche delle cellule ventricolari, si ha un potenziale da azione ectopico e si ha un’extrasistole (battiti che non ci dovrebbero essere). Farmaco: beta-bloccanti 2. Comunicazione neuronale La depolarizzazione della cellula nervosa avviene nello stesso modo dei miocardiociti: si genera un potenziale d’azione dovuto all’entrata di ioni Na+ che si trasmette lungo tutto l’assone del neurone (cambia la polarizzazione della membrana che diventa positiva all’interno e negativa all’esterno). Quando il potenziale d’azione raggiunge il bottone sinaptico stimola il rilascio di sostanze chimiche, i NEUROTRASMETTITORI, nello spazio intersinaptico tramite esocitosi. Tali neurotrasmettitori (come acetilcolina, serotonina, noradrenalina, dopamina) che consentono la propagazione dell’impulso ai neuroni adiacenti postsinaptici. I neurotrasmettitori eccitatori vanno ad eccitare il neurone post sinaptico e permettono la formazione di un potenziale d’azione. Un neurotrasmettitore inibitorio è l’acido gamma-aminobutirrico (GABA) L'acido gamma-aminobutirrico (GABA) è un neurotrasmettitore che si lega ai recettori GABA. Una classe di recettori GABA è costituita da canali ionici cloruro ligando-dipendenti. Quando il GABA si lega al recettore, il canale si apre. Gli ioni cloruro, che sono caricati negativamente, fuoriescono o entrano nel neurone, a seconda delle condizioni (gradiente elettrochimico) nella cellula. Tipicamente, gli ioni cloruro lasciano la cellula, il che inibisce la trasmissione degli impulsi neurali. Il rilascio di neurotrasmettitori nello spazio intersinaptico va a colpire recettori specifici sulla membrana del neurone postsinaptico e da questo punto riparte l’onda di depolarizzazione. Il segnale viene quindi trasmesso tramite una comunicazione elettrico-chimica lungo neuroni che sono in collegamento tra di loro. Arco riflesso semplice: due neuroni sono collegati a una struttura muscolare. Un esempio di arco riflesso si trova nel ginocchio in cui sono presenti due meccanocettori (recettori specifici in grado di recepire un messaggio meccanico, come la martellata). Questi meccanocettori hanno la funzione di convertire un segnale di tipo meccanico in un segnale di tipo elettrico. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 52 Il colpo di martelletto attiva il potenziale d’azione lungo un neurone presinaptico (neurone sensitivo) che porta un segnale molto rapido collegato immediatamente a un secondo neurone postsinaptico (neurone motore) che fa contrarre il muscolo della gamba. Questa è una via sensitivo motoria in cui il neurone presinaptico è un neurone sensitivo mentre il neurone postsinaptico è un neurone motorio. La stessa cosa avviene a livello di visione ottica: noi abbiamo la possibilità di vedere perché possediamo dei recettori specifici come la rodopsina che è un pigmento che agisce come recettore collegato ai neuroni delle vie ottiche. Sono recettori luminosi che ricevono la luce dal mondo esterno e trasformano il segnale luminoso in uno stimolo di natura elettrica. NEUROTRASMETTITORI La comunicazione intersinaptica tra neuroni è un tipo di comunicazione paracrina perché la cellula libera neurotrasmettitori che colpiscono il neurone postsinaptico, ma allo stesso tempo attua una comunicazione autocrina in quanto tali neurotrasmettitori colpiscono anche il neurone presinaptico stesso facendogli bloccare la liberazione del neurotrasmettitore. Questo avviene nel caso della serotonina: c’è una secrezione paracrina di tipo stimolatorio e parallelamente una secrezione autocrina di tipo inibitorio. Oltre ad avere il rilascio nel neurotrasmettitore, si ha anche il rilascio di proteine specifiche (proteine del re-uptake) che hanno il compito di captare e portare all’interno il neurotrasmettitore (riciclo della serotonina). I neuroni serotoninergici (basati sulla comunicazione con il rilascio della serotonina) sono i neuroni del benessere; in alcune persone il rilascio della serotonina è limitata e ciò porta a forme di depressione molto grave: la farmacologia ha creato farmaci inibitori della ricaptazione della serotonina (farmaci antidepressivi) che bloccano il funzionamento di queste proteine in modo che la serotonina stazioni nello spazio intersinaptico per un tempo più lungo affinché possa agire sul neurone postsinaptico per tempi prolungati e agire limitatamente sull’inibizione di tipo autocrino. Il Prozac (pillola della felicità) è un SSRI, un inibitore selettivo della ricaptazione della serotonina. È basata sul rilascio di sostanze specifiche da parte delle cellula (LIGANDI) che devono colpire recettori specifici su una cellula bersaglio e attivare una risposta cellulare. Una molecola di segnalazione, come l'insulina che si lega a un recettore specifico, agisce come un ligando. Un ligando è una molecola, diversa da un enzima, che si lega specificamente a una macromolecola (di solito una proteina), formando un complesso recettore-ligando. Il complesso innesca una risposta biologica. La maggior parte dei ligandi sono molecole idrofile che si legano ai recettori proteici sulla superficie delle cellule La comunicazione chimica è divisa in tre fasi principali: 1. Legame recettore-ligando: si forma un legame tra la sostanza chimica che deve portare un segnale e il suo recettore specifico. L’interazione tra il ligando e il recettore è connessa a una compatibilità geometrica molto precisa (compatibilità sterica tra una sostanza chimica e un recettore) Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 55 Sono proteine specifiche posizionate sulla membrana plasmatica che hanno la funzione di ricevere i segnali. Esistono 3 diversi domini in uno stesso recettore ovvero tre conformazioni e strutture varabili che agiscono in modo diverso. • DOMINIO EXTRACELLULARE: è posizionato al di fuori della membrana per legarsi al ligando. • DOMINIO INTRAMEMBRANA: rappresenta l’ancoraggio della proteina all’interno della membrana. Si estende attraverso la membrana plasmatica per avviare la fase di trasduzione del segnale. • DOMINIO INTRACELLULARE: Si estende nel citoplasma. La coda trasmette il segnale a una molecola all'interno della cellula. I recettori non sono statici ma possono essere modificati a livello della membrana; il numero di recettori può aumentare o diminuire. Un importante meccanismo utilizzato dalle cellule per regolare la ricezione di molecole segnale è quello di aumentare o diminuire il numero di ciascun tipo di recettore. A seconda delle esigenze della cellula, i recettori vengono sintetizzati o degradati. Ci sono diverse fasi nella vita di una cellula: -fase di up regulation: fase recettoriale con un aumento del numero di recettori -fase di down regulation: fase recettoriale con una diminuzione del numero di recettori Queste due fasi servono principalmente per fare in modo che il segnale che arriva venga recepito in modo corretto. Laddove si ha una bassa concentrazione di segnale che arriva, la cellula cerca di adattarsi facendo una up-regulation dei recettori in modo che essi siano in grado di catturare il maggior numero di particelle in arrivo. Viceversa quando si ha un’alta concentrazione di segnali, la cellula attua una down-regulation dei recettori. Questo succede per esempio nel diabete di tipo 2 (diabete dell’anziano): i recettori dell’insulina posizionati in punti specifici dell’organismo devono passare tutta la vita a catturare insulina che viene prodotta in quantità abbondante a causa di un’alimentazione particolarmente ricca di zuccheri; a un certo punto le cellule attuano una down regulation, e l’insulina prodotta si lega ai recettori, la glicemia non si abbassa. Esistono farmaci che riescono a stimolare l’up regulation dei recettori dell’insulina. Quando la concentrazione dell'ormone insulina è troppo alta per un periodo prolungato, le cellule diminuiscono il numero dei loro recettori per l’insulina. Questo processo è chiamato down-regulation del recettore. Nel caso dell'insulina, la down-regulation del recettore sopprime la sensibilità delle cellule bersaglio all'ormone. L'insulina stimola le cellule ad assorbire il glucosio mediante la diffusione facilitata, quindi la down-regulation del recettore diminuisce la capacità delle cellule di assorbire il glucosio. La deregolazione del recettore spesso implica il trasporto dei recettori ai lisosomi, dove vengono distrutti. La sovraregolazione del recettore si verifica in risposta a basse concentrazioni ormonali. Viene sintetizzato un numero maggiore di recettori e il loro numero maggiore sulla membrana plasmatica rende più probabile che il segnale venga ricevuto da un recettore sulla cellula. L'up-regulation del recettore amplifica così l'effetto della molecola di segnalazione sulla cellula. L'up-regulation e il down-regulation del recettore sono controllati in parte da segnali ai geni che codificano per i recettori. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 56 Esistono 3 tipi principali di recettori: 1. RECETTORI ACCOPPIATI A CANALI IONICI: sono recettori posizionati direttamente sul canale ionico. Per esempio le cellule del cuore si eccitano grazie l’apertura dei canali del sodio che sono inizialmente chiusi e che vengono aperti per fare entrare di colpo sodio solo quando viene raggiunto un determinato livello di potenziale di membrana (valore soglia). L’adrenalina è un ormone (ma anche un neurotrasmettitore) che possiede i recettori posizionati direttamente sul canale degli ioni sodio e quindi, quando la molecola segnale arriva e si lega al recettore, è in grado di farli aprire. Quando la molecola segnale si stacca, la proteina canale ritorna alla sua forma nativa e il canale si richiude. I recettori legati ai canali ionici si trovano nella membrana plasmatica. 2. RECETTORI ACCOPPIATI A PROTEINE G Le proteine G sono proteine che legano il GDP e GTP. Con questi recettori si avvia una lunga via di segnalazione all’interno della cellula. È una via complessa di trasduzione del segnale che deve arrivare ad attaccare gruppi fosforici a una serie di proteine fino ad arrivare alla fosforilazione di una proteina finale. La proteina finale è in grado poi di entrare nel nucleo e attivare un gene specifico. La parte esterna del recettore ha un sito di legame per una molecola di segnalazione e la parte del recettore che si estende nel citosol ha un sito di legame per una specifica proteina G. Quando una molecola di segnalazione si lega a un recettore legato alla proteina G, il recettore cambia forma. È un sistema multiproteico dove il recettore, nel momento in cui arriva il segnale, modifica la sua conformazione e agisce su una seconda proteina chiamata proteina G (proteine che legano il GTP, molecola trasportatrice di energia). Anche la proteina G si modifica e agisce su una terza proteina chiamata “adenilatociclasi”. Queste vie di trasduzione del segnale dalla superficie della cellula all’interno della cellula sono molto complesse. Sono coinvolte una ventina di molecole segnale e proteine che portano i messaggi. L’adenilatociclasi preleva una molecola di Guanosintrifosfato e la trasforma in una molecola chiamata AMP ciclico (nucleotide), che è un secondo messaggero che porta il segnale all’interno del citoplasma. Il ligando (molecola segnale) è il primo messaggero Il legame ligando-recettore attiva una proteina G che lega il GTP; nel legare il GTP viene attivata una terza proteina che è l’adenilatociclasi. L’adenilatociclasi converte l’ATP in AMP ciclico. L’AMP ciclico (secondo messaggero) porta a un’attivazione a cascata di proteine in sequenza: sono proteinchinasi ovvero proteine che appartengono alla famiglia delle molecole fosforilatici, le chinasi, delle proteine che attaccano i gruppi fosfato. Questa serie di attivazione di proteine è chiamata cascata di fosforilazione o via di trasduzione del segnale. L’AMP ciclico attiva a cascata una serie di reazioni di fosforilazione. Lungo la cascata il segnale si dirama lateralmente. Man mano che le proteine vengono attivate, queste mandano un segnale laterale in modo da amplificarlo e comunicarlo con le strutture della cellula. Questa processo avviene fino a quando si attiva anche la proteina finale. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 57 3. RECETTORI ACCOPPIATI A ENZIMI Esistono dei recettori che sono delle proteine dimeriche, ovvero proteine costituite da due diverse subunità disgiunte nella membrana plasmatica; quando arriva la molecola segnale (ligando) queste due proteine dimeriche si uniscono, prelevano gruppi fosfato dall’ATP e vanno ad attivare degli enzimi specifici. L’attivazione di tali enzimi rappresenta la risposta cellulare. I recettori quando vengono attivati funzionano loro stessi da enzimi perché hanno già le proteine ad attività enzimatica associate a loro. Il recettore è in forma dimerica e, quando arriva la molecola segnale, le due subunità proteiche si uniscono (il dimero di unisce) e sfruttando i gruppi fosfato prelevati dall’ATP, si fosforilano (si attivano). In questo modo vanno ad attivare ulteriori enzimi specifici all’interno del citoplasma. Una chinasi è un enzima che trasferisce il gruppo fosfato terminale dall'ATP a un substrato (la sostanza specifica su cui agisce un enzima). Questo processo è chiamato fosforilazione. Il sistema endocrino è un insieme eterogeneo di cellule, tessuti e organi, comprese ghiandole endocrine specializzate che producono e secernono ormoni, messaggeri chimici che regolano molti processi fisiologici. Le ghiandole endocrine differiscono dalle ghiandole esocrine che rilasciano le loro secrezioni all’esterno dell’organismo attraverso dei dotti (come le ghiandole sudoripare e le ghiandole gastriche). Le ghiandole endocrine non hanno dotti e secernono i loro ormoni nel circolo sanguigno. Gli ormoni sono generalmente trasportati dal sangue. Producono una risposta caratteristica solo dopo che si legano a specifici recettori sulle cellule bersaglio. Le cellule bersaglio possono trovarsi in un'altra ghiandola endocrina o in un tipo di organo completamente diverso. Le cellule bersaglio possono trovarsi lontano dalla ghiandola endocrina. Il sistema endocrino, insieme a quello nervoso, è un sistema di regolazione dell’organismo. Mentre il SN agisce tramite neurotrasmettitori che vengono rilasciati a livello delle sinapsi, il sistema endocrino sfrutta messaggeri chimici, gli ormoni, che vengono immessi nel sangue e da qui vengono trasportati in tutto l’organismo. Il sistema endocrino regola lo sviluppo, la riproduzione, l’accrescimento, l’attivazione delle difese dell’organismo, il metabolismo cellulare, l’equilibrio energetico e l’equilibrio di elettroliti, acqua, sostanze nutritive nel sangue. Sistema complesso che integra diverse funzioni per consentire alle cellule di comunicare tra di loro, la comunicazione è a lunga distanza. È formato da ghiandole endocrine specifiche che producono sostanze di natura proteica o lipidica, gli ormoni. Sistema endocrino del nostro organismo si rifà a un certo numero di organi che non vengono considerati prettamente endocrini come il rene o lo stomaco. ERITROPOIETINA ormone che stimola il midollo osseo a produrre globuli rossi; è prodotta dal rene. Fa aumentare il numero di globuli rossi nel sangue. Stomaco produce ormoni per la digestione Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 60 -gli ormoni STEROIDEI (liposolubili) utilizzano il meccanismo dell’attivazione diretta dei geni. Essendo liposolubili riescono a diffondere nella cellula attraverso la membrana plasmatica. Qui entrano nel nucleo e si legano a uno specifico recettore proteico. Il complesso ormone-recettore si lega a siti specifici sul DNA che attiva determinati geni a trascrivere l’mRNA (attivazione della trascrizione genica). Questo viene poi tradotto nei ribosomi del citoplasma e vengono sintetizzate nuove proteine specifiche. Risposte della trasduzione del segnale: ci sono diverse proteine che lavorano in collaborazione (sono solitamente proteinchinasi ovvero proteine fosforilatrici che attivano altre proteine attaccando gruppi fosfato) in una serie di reazioni a cascata. Queste proteine fosforilatrici (proteine funzionali nella via di trasduzione del segnale) sono tenute insieme da SCAFFOLD PROTEICI, proteine strutturali che hanno il compito di tenere insieme tutti i complessi proteici che devono collaborare tra di loro gli uni vicino agli altri. L’attivazione finale prevede alla fine dello scaffold proteico l’attivazione di un’ultima proteina che entra nel nucleo e deve attivare la trascrizione genica di un gene. Le proteine che si attaccano al DNA per attivare la trascrizione genica si chiamano FATTORI TRASCRIZIONALI (sono proteine che, legandosi in una certa posizione del genoma, attivano la trascrizione di un certo gene). GIUNZIONI CELLULARI Le membrane devono agire anche per collegare tra loro le membrane delle cellule vicine. Il tessuto cardiaco è formato da miocardiociti le cui membrane sono unite tra loro strettamente. I punti di fusione tra le membrane delle cellule avvengono grazie alle GIUNZIONI SERRATE (giunzioni proteiche) che sono delle sorte di cerniere che legano le cellule tra di loro non consentendo il flusso delle sostanze a livello dell’ambiente extracellulare. Le giunzioni regolano l’aggancio delle cellule tra loro e il passaggio delle sostanze anche all’interno delle cellule. • GIUNZIONI SERRATE: Limitano o impediscono il passaggio di sostanze dal lume allo spazio intercellulare (tra le cellule) • DESMOSOMI e GIUNZIONI ADERENTI: consentono il flusso di sostanze all’interno dello spazio intercellulare DESMOSOMI: Sono giunzioni più lasse, lasciano più aperto lo spazio intercellulare Sono giunzioni formate da dei bottoni proteici e da dei filamenti di interconnessione tra le cellule, consentendo un certo flusso di acqua e altre macromolecole a livello dello spazio intercellulare. Ci sono filamenti intermedi (non di actina) che fanno parte del citoscheletro (sistema scheletrico interno della cellula animale). Hanno una funzione meccanica e consentono il flusso di sostanze all’interno dello spazio intercellulare GIUNZIONI ADERENTI Sono giunzioni simili ai desmosomi che, invece che avere filamenti intermedi, hanno filamenti di actina. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 61 • GIUNZIONI COMUNICANTI Canali proteici (Connessoni) che facilitano lo scambio di ioni e piccole molecole tra il citoplasma di cellule differenti. Sono veri e propri canali presenti a livello della membrana plasmatica che mettono in comunicazione il citoplasma di una cellula con il citoplasma della cellula vicina. Sono presenti a livello di tessuto cardiaco in modo tale che il flusso di ioni possa passare da una cellula alla successiva. Alcuni di questi canali proteici sono sempre aperti (acquaporine) mentre altri vengono chiusi e aperti in base alla regolazione della cellula. Mettono in comunicazione il citoplasma di cellule adiacenti TESSUTO: Gruppo di cellule con identica struttura e funzione TESSUTI: strutture biologiche formati da diversi tipi cellulari: -tessuto epiteliale abbondante componente cellulare, scarsa componente di matrice extracellulare. Rivestono all’esterno e/o all’interno un organo. -tessuto connettivo scarsa componente cellulare e abbondante matrice extracellulare Tessuto osseo, cartilagineo, adiposo, sangue, lasso, fibroso -tessuto muscolare scheletrico, liscio, cardiaco -tessuto nervoso Cellula animale, cellula complessa; mediamente è 10 volte superiore rispetto alla cellula batterica e ha una serie di compartimenti interni che consentono alla cellula di svolgere delle funzioni specifiche individuali a livello di ogni singolo compartimento (anche se tutti i compartimenti sono in comunicazione tra loro).La funzione di un organulo è fondamentale anche per gli altri organelli • organulo centrale più voluminoso all’interno della cellula eucariotica. È un organello con una doppia membrana (membrana nucleare interna e membrana nucleare esterna): è costituita da una membrana nucleare interna e una esterna che scivolano le une sulle altre in quanto tra le due c’è uno spazio ripieno di liquido chiamato CISTERNA PERINUCLEARE, che consente lo scivolamento tra le due membrane e quindi ridurre gli urti all’interno del nucleo (contenente il DNA). La membrana nucleare è formata in tutto 4 strati fosfolipidici (doppio strato della membrana esterna e doppio strato della membrana interna); la doppia membrana è interrotta da numerosi pori nucleari, molto importanti perché consentono il flusso di sostanze tra citoplasma e nucleoplasma e viceversa (tra la parte liquida all’interno della cellula, il citoplasma, e la matrice gelatinosa presente all'interno del nucleo, ricca di acqua e contenente ioni, proteine, enzimi e nucleotidi). All’interno del nucleo si trova o la cromatina (insieme di DNA complessate a proteine, in parte strutturali, ovvero proteine che danno un’impalcatura al DNA, e in parte funzionali) o i cromosomi (cromatina che subisce delle transizioni di fase; in alcuni momenti della vita della cellula si trova la cromatina dispersa mentre in altri momenti della vita della cellula la cromatina si compatta in una struttura altamente condensata che è sono i cromosomi). Sono presenti nel nucleo i ribosomi (vengono sintetizzati all’interno del nucleo). La cisterna perinucleare è in collegamento diretto e in continuità con il reticolo endoplasmatico. Il sistema di membrane del nucleo si continua nel sistema di membrane presenti nel citoplasma Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 62 La membrana interna nucleare è stabilizzata da un intreccio di filamenti proteici costituiti da proteine chiamate LAMINE, ovvero proteine che formano un reticolato di stabilizzazione della membrana nucleare interna (LAMINA NUCLEARE). Sulla superficie interna della membrana plasmatica c’è la cortex cellulare mentre nella parte più interna della membrana nucleare interna è presente la lamina nucleare. All’interno del nucleo è presente la cromatina: biomolecola fondamentale formata da DNA e proteine che porta il codice della vita che porta la sequenza nucleotidica che spiega alla cellula come essere costruita e come svolgere le diverse funzioni. I cromosomi presenti all’interno del nucleo definiscono il CARIOTIPO di una cellula. Il cariotipo di una cellula corrisponde al corredo cromosomico sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo. Il cariotipo umano è costituito da 46 cromosomi che se analizzati vanno a coppie perché il nostro genoma è costituito per metà dal patrimonio genetico donato dal padre e metà dalla madre al momento del concepimento. (23 cromosomi donati dalla madre e 23 dal padre). Noi a livello nucleare abbiamo un cariotipo di tipo BIPARENTALE ovvero con l’intervento di entrambi i genitori. I cromosomi vanno a coppie: 22 coppie di cromosomi sono definiti autosomi (cromosomi che morfologicamente sono uguali in tutti gli individui); una coppia di cromosomi sono i cromosomi sessuali (o eterocromosomi) che cambiano in base al sesso: nella femmina è presente la coppia XX mentre nel maschio la coppia XY. Siccome i cromosomi vanno a coppie, vengono definiti COPPIE DI AUTOSOMI OMOLOGHI: in sono cromosomi identici da punto di vista morfologico e che contengono ognuno una copia dei medesimi geni (corrispondono agli autosomi). I cromosomi morfologicamente sono distinguibili l’uno dall’altro e quindi classificabili in 4 diversi tipi in base alla posizione del CENTROMERO (regione del cromosoma che presenta un restringimento ed è il punto in cui le due subunità cromosomiche si uniscono tra di loro). In base alla posizione del centromero si possono classificare: -CROMOSOMI METACENTRICI dove il centromero è in posizione centrale -SUBMETACENTRICI si differenziano due braccia lunghe e due braccia corte (le lunghe vengono chiamate “braccia Q” mentre le corte “braccia P”) -cromosomi ACROCENTRICI il centromero forma due braccia P molto corte -cromosomiTELOCENTRICI i centromeri si trovano in posizione terminale e le braccia P non esistono ma sono presenti solo due braccia Q Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 65 • RER In diretta connessione con il nucleo è presente un sistema di membrane che vanno a formare dei sacculi appiattiti (lamelle appiattite) fuori dal nucleo. Tali sacculi costituiscono il reticolo endoplasmatico rugoso. I RIBOSOMI sono presenti sulla superficie dei sacculi. È un organulo deputato alla produzione di proteine che entreranno all’interno del RER per completare la loro fase di maturazione (FOLDING). Il folding avviene nel RER. Folding: arrangiamento tridimensionale delle proteine (ripiegamento) -Il folding delle proteine citosoliche prodotte dai ribosomi liberi nel citoplasma avviene interamente nel citoplasma. -il folding delle proteine prodotte dai ribosomi presenti sul RER avviene all’interno del RER grazie alla presenza di enzimi, gli CHAPERON MOLECOLARI, che hanno la funzione di portare a ripiegamenti strutturali le catene polipeptidiche. Esistono anche altri sistemi proteici, le PROTEINE MISFOLDED a livello del RER, che hanno il compito di valutare se il folding è avvenuto in modo adeguato: un esempio è l’UBIQUITINA che aggancia le proteine mal ripiegate e le riporta al di fuori del RER, precisamente nel citoplasma a ridosso dei proteasomi, complessi proteici ad alto peso molecolare che catturano le proteine mal ripiegate rivestite di ubiquitina e le degradano per recuperare gli AA. I proteasomi sono sistemi di idrolisi enzimatica delle proteine mal ripiegate per il recupero degli AA. I ribosomi associati al reticolo rugoso sono la sede di sintesi delle proteine destinate alla membrana plasmatica o all’esterno. Le proteine che restano nel citosol sono sintetizzate sui ribosomi liberi. Nel reticolo liscio vengono sintetizzati i lipidi, gli steroidi e i carboidrati, degradate le scorie metaboliche e i tossici. Immagazzina Ca++ • REL È una struttura diversa dal RER perché non ha ribosomi sulla sua superficie; non è formato da cisterne appiattite ma da una struttura tubulare. Svolge funzioni importanti a livello di sintesi di alcune biomolecole come la sintesi dei lipidi, ormoni steroidei, fosfolipidi (per esempio nelle ghiandole surrenali che producono ormoni steroidei, il REL è molto sviluppato). È importante anche nel metabolismo dei carboidrati in particolare nella sintesi di glicogeno partendo da glucosio e nella glicogenolisi per riportare in circolo glucosio. È il principale sistema di detossificazione cellulare e intracellulare. Sono presenti all’interno degli enzimi specifici che portano all’allontanamento delle sostanze xenobiotiche (esogene) che provengono dall’esterno (es. inquinanti, farmaci, droghe). Il REL contiene quegli enzimi necessari per il metabolismo dei farmaci. Il REL contiene ENZIMI INDUCIBILI, enzimi che vengono indotti dalla sostanza: ogni volta che l’enzima viene a contatto con una determinata sostanza viene aumentata la produzione dell’enzima. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 66 Connesso al REL vi è l’apparato di Golgi, simile al RER. Non ha sulla superficie delle cisterne appiattite i ribosomi ma la superficie è liscia. Nell’apparato di Golgi arrivano le vescicole che escono dal RER contenenti proteine in via di maturazione. Le vescicole si fondono con l’apparato di Golgi e all’interno del Golgi è completata la loro fase di maturazione. Le proteine mature a livello del Golgi vengono destinate in particolare sulla membrana o all’esterno della cellula. L’apparato di Golgi e suddiviso in porzioni specifiche: -regione cis porzione ricevente è la parte che si affaccia verso il RER (verso centro cellula) -regione trans si affaccia la superficie esterna della cellula Ciò che entra nella regione cis è completamente diverso da ciò che esce dalla regione trans in quanto subisce delle modificazioni. L’apparato di Golgi è formato da una serie di cisterne impilate le une sulle altre; queste cisterne vanno a costituire delle strutture specifiche chiamate DITTIOSOMI. Nei processi di maturazione delle proteine completati nel Golgi, più che il folding, vengono aggiunte altre biomolecole. Si formano glicoproteine o lipoproteine. Sono vescicole del Golgi possono rimanere nel citoplasma. Se il REL si occupa della degradazione sostanze xenobiotiche in forma liquida, i lisosomi degradano le componenti solide che entrano nella cellula. Sono organuli particolari che contengono enzimi idrolitici (enzimi in grado di idrolizzare/scindere le macromolecole) e sono caratteristici perché contengono un pH molto basso (<5). Il pH basso permette l’inattivazione degli enzimi idrolitici (non funzionano a pH basso). Questo avviene perché se tali enzimi fossero attivi ci sarebbe il rischio che autodistruggano il lisosoma e anche la cellula. -PROCESSI AUTOFAGIA CELLULARE: autodigestione delle cellule dovuta all’instabilità dei lisosomi I lisosomi sono importanti nel processo di fagocitosi (il lisosoma si fonde con il fagosoma e lo digerisce) Gli enzimi dei lisosomi si attivano quando i lisosomi si fondono con il fagosoma o con un'altra vescicola che possiede un pH più alto (il citoplasma ha pH 7); il rialzo di pH attiva gli enzimi che digeriscono la particella. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 67 • PEROSSISOMI Sono organuli che si generano dall’apparato di Golgi. Sono vescicole che rimangono nel citoplasma e non arrivano alla membrana, e sono coloro che contrastano lo stress ossidativo (stress cellulare che avviene alle cellule a causa di inquinanti specifici; i radicali liberi dello smog portano alla distruzione della membrana plasmatica delle cellule respiratorie). I radicali liberi che arrivano all’interno della cellula vengono convertiti in acqua ossigenata che viene a sua volta degradata in acqua dai perossisomi perché essi contengono un enzima specifico chiamato CATALASI che converte il perossido di idrogeno in acqua. Inoltre i perossisomi nelle cellule del Sistema Nervoso producono MIELINA, sostanza di rivestimento degli assoni, oppure detossificano determinati composti xenobiotici. hanno un’origine evolutiva legata al modello endosimbiontico: sono dei procarioti intracellulari che si ritrovano nelle cellule animali. Sono costituiti da un doppia membrana esterna piana liscia e una membrana mitocondriale interna rilevata in creste. All’interno dei mitocondri possono essere presenti ribosomi. La matrice mitocondriale si trova nella parte più interna del mitocondrio. Ciascun mitocondrio è racchiuso da una doppia membrana, che forma due diversi compartimenti all'interno dell'organello: lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale. Lo spazio intermembrana è il compartimento che si trova tra la membrana mitocondriale esterna e quella interna. La matrice è il compartimento racchiuso dalla membrana mitocondriale interna, sede del ciclo di Krebs. La membrana mitocondriale esterna è liscia e permette a molte piccole molecole di attraversarla. Al contrario, la membrana mitocondriale interna presenta numerose pieghe e regola rigorosamente i tipi di molecole che possono attraversarla. Le pieghe, dette CRESTE, si estendono nella matrice. Le creste aumentano notevolmente la superficie della membrana mitocondriale interna, fornendo una superficie per le reazioni chimiche che trasformano l'energia chimica nelle molecole di cibo nell'energia dell'ATP. La membrana contiene gli enzimi e altre proteine necessarie per queste reazioni. Sulla base del modello endosimbiontico, considerando che i mitocondri possiedono una doppia membrana, è probabile che essi siano stati dei Gram negativi (hanno una doppia membrana perché hanno poco peptidoglicano). 1. Sono organuli coinvolti nelle trasformazioni energetiche (respirazione cellulare) 2. Hanno una forma bacillare (2-8 µm lunghi.) 3. Hanno una doppia membrana: esterna piana e interna rilevata in creste 4. Membrana interna contenente molecole proteiche per la produzione di ATP 5. Comparto centrale definito matrice mitocondriale contenente enzimi, ribosomi e DNA 6. Circa 1000 in un epatocita Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 70 Si legano anche ad alcune proteine specifiche (MAP: proteine associate ai microtubuli). Alcuni tipi di MAP sono: -MAP STRUTTURALI proteine che regolano l’assemblaggio dei microtubuli e li legano con altre strutture del citoscheletro -MAP MOTRICI chinesine e dineine sono proteine che legano l’ATP e servono come dei carrelli che fanno scorrere le vescicole lungo il microtubulo. I microtubuli costituiscono dei binari nel citoplasma lungo i quali scorrono le vescicole. Le dineine trasferiscono in un senso, le chinesine nel senso opposto e così fanno viaggiare le vescicole. Utilizzano ATP per generare movimento (dineina e chinesina) Ciglia e flagelli sono costituiti da microtubuli con una disposizione molto caratteristica chiamata organizzazione a 9+2 ovvero 9 coppie di microtubuli periferici più una 2 microtubuli non accoppiati al centro unite tra di loro grazie a dei ponti costituiti da MAP motrici (come la dineina) che hanno la funzione di tirare le coppie di microtubuli in un senso o nell’altro. In questo modo le ciglia o i flagelli possono muoversi in tutte le parti del piano in base a come queste MAP motrici tirano il microtubulo. I microtubuli costituiscono anche i centrioli con una struttura definita a “9 triplette” perché i microtubuli viaggiano a 3 a 3 con una posizione radiale periferica. I centrioli sono fondamentali per la cellula perché diventano i centri di organizzazione del fuso mitotico (centri di organizzazione dei microtubuli in mitosi). I centrioli nella cellula sono due disposti perpendicolarmente l’uno all’altro; quando la cellula decide di dividersi, durante la mitosi i centrioli diventano quattro. Durante la mitosi iniziano a irradiarsi le fibre del fuso. 1. Ha un proprio metabolismo 2. Compie un ciclo cellulare I cicli vitali cellulari vengono definiti “cicli cellulari”. Un ciclo cellulare è la serie di eventi che avvengono in una cellula eucariotica tra una divisione cellulare e quella successiva. La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita. Una cellula per vivere ha bisogno di energia. ESAME ciclo cellulare e come si differenzia nei diversi tipi cellulari : serie di reazioni che organizzano e degradano molecole di vario tipo. Si intende la produzione e il consumo di energia da parte delle cellule. Complesso di reazioni attraverso le quali l’energia e la materia vengono trasformate al fine di permettere la vita delle cellule. È una serie di reazioni, in parte anaboliche e in parte cataboliche, in cui i reagenti (substrati) vengono trasformati in prodotti e questi prodotti nella reazione successiva fungono da substrati che verranno trasformati. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 71 La cascata di reazioni va a costituire le principali vie del metabolismo energetico del nostro organismo che sono comunque sottoposte a un controllo-regolazione per arrivare a produrre molecole energetiche necessarie alle cellule per lo svolgimento delle diverse reazioni. La molecola energetica principale è l’ATP. La cellula è un sistema aperto cioè un sistema che scambia energia e materia con l’ambiente esterno. Tutti i sistemi viventi sono sistemi aperti. I sistemi aperti, come le cellule viventi, sono sistemi che scambiano materia ed energia con l’ambiente circostante. I sistemi aperti vanno continuamente alimentati. 1° principio della termodinamica: l’energia non viene né creata né distrutta ma semplicemente trasformata. In tutte le cellule ci sono due tipi di reazioni metaboliche: -reazioni anaboliche: costruiscono molecole più complesse con il dispendio di energia Portano alla costruzione di molecole complesse a partire da molecole più semplici (esempio se ho del glucosio in eccesso e formo il glicogeno, reazione anabolica) -reazioni cataboliche: reazioni che degradano macromolecole in monomeri (molecole più semplici) con rilascio di energia. Il metabolismo è definito da una serie di reazioni chimiche di ossidoriduzione (reazioni in cui vengono messi in gioco elettroni tra diverse specie chimiche) . In una reazione chimica metabolica si parte da un reagente iniziale e si ottiene un prodotto ma tale prodotto diventa il reagente (substrato) della una reazione successiva. Partendo da un substrato di tipo A iniziale, si arriva a un prodotto di tipo B che è a sua volta il substrato di una reazione successiva che porterà alla formazione del prodotto C e così via. Si chiamano substrati perché queste reazioni sono sottoposti a un sistema di controllo ben preciso: nel momento in cui c’è un eccesso di un prodotto, il controllo della regolazione consente di stoppare il percorso metabolico e aspettare che il prodotto in eccesso venga esaurito prima di creare altro prodotto. L’obiettivo di questi percorsi metabolici è quello di produrre molecole energetiche direttamente utilizzabili dalla cellula perché le molecole che noi introduciamo con la dieta non sono utilizzabili direttamente dalla cellula come fonte energetica. Le cellule viventi dipendono dall’ATP per quanto riguarda la cattura, il trasferimento e l’utilizzo dell’energia necessaria per le attività cellulari. Esistono ulteriori trasportatori di energia oltre all’ATP come il NADH, il FADH2, NADPH e sono dei catturatori di elettroni che poi servono per convertire gli elettroni in ATP. Una cellula in attività consuma milioni di molecole di ATP al secondo per le proprie attività biochimiche. La vita media di una molecola di ATP è circa 1 minuto; A riposo, una persona media idrolizza circa 40 kg di ATP al giorno. L’idrolisi dell’ATP genera energia libera (circa 12 kcal/mol) ATP+H2O = ADP+Pi+energia ADP+Pi+energia = ATP+H2O L’ATP accoppia reazioni esoergoniche a reazioni endoergoniche. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 72 L’ATP viene idrolizzata per far liberare energia diventando ADP o AMP ciclico (che funge da comunicatore intracellulare nella comunicazione associata alle proteine G all’interno del citoplasma). Il bilancio consistente dal punto di vista quantitativo dell’ATP è data grazie ad altri trasportatori di elettroni: FAD e NAD che catturano gli elettroni nelle reazioni di ossidoriduzione e successivamente li rendono disponibili alla cellula in un momento preciso della vita cellulare. Le diverse reazioni metaboliche devono essere regolate attraverso un processo di controllo e regolazione che agisce sugli enzimi, molecole proteiche che sono le artefici dello svolgimento delle reazioni chimiche. ENIZIMA: è una proteina che ha una sua struttura geometrica ben precisa in cui viene identificato un dominio specifico chiamato sito attivo, un sito della proteina che si adatta al substrato specifico. Gli enzimi sono proteine con un sito attivo che si adatta a un determinato substrato in una precisione tale come una chiave che si adatta alla serratura. Esiste un’affinità molto specifica tra enzima e substrato specifico. Gli enzimi sono dei catalizzatori organici in grado di abbassare l’energia di attivazione delle reazioni chimiche. Normalmente le reazioni chimiche non avvengono spontaneamente perché l’energia di attivazione richiesta dal sistema è troppo alta, ma gli enzimi sono in grado di abbassare l’energia di attivazione della reazione e di conseguenza la reazione avviene spontaneamente. Gli enzimi diventato i sistemi sui quali effettuare il controllo delle vie metaboliche. Gli enzimi sono molto importanti perché le diverse reazioni chimiche dei processi metabolici devono essere regolati in modo estremamente preciso; occorre che le sostanze siano indirizzate nelle vie opportune. Come avviene l’INIBIZIONE di un enzima? Può avvenire attraverso due processi: -INIBIZIONE ENZIMATICA COMPETITIVA: la molecola inibitrice compete con il substrato per l’occupazione del sito attivo. Laddove l’inibitore ha una concentrazione superiore del substrato, vince l’inibitore che si posiziona nel sito attivo e il substrato non si può legare. -INIBIZIONE NON COMPETITIVA o ALLOSTERICA: l’inibitore si lega a un sito allosterico (secondo sito dell’enzima in una posizione diversa dal sito attivo), e il legame porta a una modificazione della conformazione dell’enzima che a quel punto chiude il sito attivo. Il substrato non è più in grado di legarsi perché il sito attivo è stato modificato. La regolazione di questi processi inibitori è regolata da processi di feedback (sistema di controllo via a ritroso): gli inibitori enzimatici sono i prodotti stessi delle vie di produzione (è il prodotto, finale o intermedio, della via metabolica che se in eccesso inibisce gli enzimi con un processo a feedback negativo). Esistono anche feedback positivi (vie reattive positive), i prodotti finali stimolano le prime vie del metabolismo ad aumentare la produzione del prodotto e l’attività enzimatica. Il glucosio è il principale combustibile che alimenta il funzionamento delle cellule; viene assorbito rapidamente a livello intestinale. Anche altri alimenti possono servire da combustibile ma solitamente sono prima trasformati in glucosio o intermedi del metabolismo del glucosio. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 75 Questi sistemi (complessi) sono in parte proteici e in parte lipidici, sono dei trasportatori di membrana, che vengono attivati grazie al passaggio degli elettroni. I complessi sono delle vere e proprie pompe protoniche, infatti il flusso elettronico viene sfruttato da questi sistemi per pompare ioni H+ dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana. La catena di trasporto degli elettroni ha la funzione di aumentare la concentrazione di ioni H+ nello spazio mitocondriale intermembrana sfruttando il flusso elettronico. Una volta che gli elettroni sono passati attraverso i vari complessi, arrivano all’ossigeno, l’accettore finale di elettroni. L’ossigeno, portato dal sangue alle cellule, entra nella matrice mitocondriale e diventa l’accettore finale degli elettroni trasportati dalla catena di trasporto e si trasforma in H2O. L’alta concentrazione di ioni H+ nello spazio intermembrana crea un gradiente elettrochimico. Attraverso una proteina specifica situata a livello della membrana mitocondriale interna, la F0F1ATPasi o ATP sintasi, avviene la . La proteina viene attivata dal flusso di ioni H+ che passando attraverso essa per tornare nella matrice e ristabilire il gradiente, provocano la rotazione della parte F1 che lega il fosfato inorganico all’ADP per formare ATP I 6 NADH del ciclo di Krebs + i 2 NADH prodotti nella reazione per trasformare il piruvato in Acetil CoA + i 2 NADH prodotti dalla glicolisi (10 NADH totali), e i 2 FADH2 prodotti dal ciclo di Krebs, e tutti questi prodotti da una molecola di glucosio, producono grazie alla catena di trasporto e alla fosforilazione ossidativa producono 32 molecole di ATP. Bilancio finale 2 ATP della glicolisi, 2 ATP nel ciclo di Krebs + 32 molecole di ATP fosforilazione ossidativa= 36/38 molecole di ATP prodotte dall’interno processo in condizioni aerobiche. LOCALIZZAZIONE DIVERSI PROCESSI Glicolisi: citoplasma della cellula Ciclo Krebs: Matrice Mitocondriale Catena di trasporto elettroni e la fosforilazione ossidativa: membrana mitocondriale interna In realtà anche altri substrati organici sono fondamentali per la produzione energetica. Per i lipidi, in particolare i trigliceridi, a livello intestinale il glicerolo viene separato dalle catene di acidi grassi. Il glicerolo viene convertito il gliceraldeide ed entra nella glicolisi (a livello della seconda fase glicolitica) mentre gli acidi grassi vengono convertiti in Acetil CoA e poi entrano nel metabolismo mitocondriale. Quindi per metabolizzare i grassi, occorre avere per forza ossigeno. Anche le proteine possono entrare in diversi livelli; alcuni amminoacidi entrano al termine della via glicolitica, altri come Acetil CoA, alcuni possono entrare a livello del ciclo di Krebs. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 76 DIVISIONE CELLULARE NEI PROCARIOTI I procarioti si dividono per SCISSIONE BINARIA: l’informazione genetica è equamente distribuita nelle due cellule figlie. Le cellule batteriche hanno una condotta di vita molto semplice, arrivano ad accrescersi e poi si dividono per scissione binaria. Una cellula batterica replica il suo genoma circolare. Il genoma circolare (1 cromosoma circolare) della cellula è agganciato alla membrana plasmatica in un punto ben preciso. In tempi molto rapidi, siccome le cellule batteriche hanno cicli riproduttivi molto rapidi, la cellula si allunga e il cromosoma viene duplicato: in questo modo i punti di attacco alla membrana sono due. I DNA sono 2 perché il genoma circolare si è duplicato, la cellula si allarga lateralmente e il punto di aggancio del cromosoma alla membrana è fisso. Grazie all’allungamento laterale del citoplasma i due cromosomi vengono separati e successivamente il mesosoma, che interviene nella divisione cellulare e tiene legato il cromosoma batterico facilitando la separazione dei due filamenti di DNA e che appare al momento della scissione binaria, andrà a creare un setto di separazione centrale (il mesosoma va a dividere il citoplasma nelle due cellule figlie con formazione della membrana plasmatica e della parete cellulare). La cellula procariotica ha un ciclo replicativo molto rapido, di circa 30 minuti e nell’arco di pochi giorni le cellule raggiungono il quorum sensing grazie alla loro rapida riproduzione. CICLO CELLULARE EUCARIOTI Le varie cellule animali svolgono funzioni diverse. La cellula animale vive ed esplica le sue funzioni sino dal momento della: -divisione cellulare cellule figlie uguali alla cellula madre -morte alcune cellule hanno un ciclo vitale che li porta alla morte senza arrivare alla divisione cellulare -cellule la cui funzione è quella di fondersi con altre cellule Il ciclo cellulare degli eucarioti è più complesso e variabile a seconda delle cellule eucariotiche, alcune cellule hanno dei tempi di divisione cellulare molto brevi, altri molto lunghi. Per esempio i globuli bianchi hanno un ciclo vitale breve (15 giorni); altre cellule non compiono la divisione cellulare. Altre cellule invece si fondono con altre cellule, ovvero cellule con un ciclo cellulare apparentemente uguale a quello delle cellule che si dividono rapidamente ma hanno tempi di divisione molto lunghi per arrivare all’obiettivo di formare cellule come spermatozoi e cellula uovo che si fondono uno nell’altro e terminano la loro esistenza dando vita a una nuova cellula. La vita della cellula animale comprende due fasi maggiori: - INTERFASE fase di accrescimento e allungamento (maturazione della cellula) - FASE M di divisione cellula in cui da una cellula si originano 2 cellule; comprende la fase di mitosi e citodieresi Ogni fase è composta da diverse sottofasi: Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 77 • L’interfase è formata da: -FASE G1 fase di Gap 1 intervallo tra due mitosi Prima fase di crescita È una fase di accrescimento cellulare (fase di Growth). La cellula aumenta le proprie dimensioni, il proprio volume e sintetizza nuovi organuli. -SOTTOFASE S sintesi di DNA / Fase di duplicazione del DNA La cellula durante l‘interfase entra nella fase S, ha già deciso di dividersi perché si ritrova con un doppio quantitativo di DNA. Vengono sintetizzati i replicati del DNA e le proteine istoniche in modo che la cellula possa fare copie duplicate dei suoi cromosomi. -FASE G2 ridotta nel tempo come intervallo Fase preparatoria alla divisione cellulare (fase M, mitosi) Cellula duplica i centrioli formando 2 strutture separate, centrosomi, centri di organizzazione del fuso mitotico Vengono duplicati i centrioli che da 2 diventano 4 formando due strutture separate chiamate centrosomi (centri di organizzazione del fuso mitotico). All’interno del nucleo durante l’interfase la cromatina è dispersa e non si vedono i cromosomi. La cellula è in una fase con un metabolismo molto attivo (vera fase vitale della cellula). La cellula nella fase G1 produce molte vescicole di esocitosi che vengono portate all’esterno. Quando la cellula entra in mitosi, le 92 molecole di DNA condensano formando i cromosomi (entità discrete). Dopo la fase S abbiamo 46 cromosomi bicromatidici, ciascuno contenente due molecole di DNA. Quindi avremo 46 cromosomi bicromatidici aventi ciascuno due cromatidi, due molecole di DNA per cromosoma (1 cromatidio = 1 molecola di DNA). In conclusione, avremo 46×2= 92 molecole di DNA. I cromosomi in fase di divisione cellulare si vedono come una struttura in cui la cromatina è condensata e le due unità cromosomiche sono tenute insieme da una serie di proteine centrali, le coesine, con un restringimento centrale più accentuato che è la regione del centromero. Le porzioni terminali dei cromosomi vengono chiamate regioni telomeriche e regolano la durata vitale della cellula (quanto deve vivere cellula e le cellule figlie). Le cellule somatiche: ad ogni ciclo di divisione cellulare i cromosomi somatici sono sempre più corti perché i telomeri ad ogni divisione cellulare si accorciano, sino ad arrivare a un punto in cui i cromosomi si sono accorciati eccessivamente e tutte le cellule che hanno i cromosomi troppo corti muoiono spontaneamente per lasciare spazio a nuove cellule più giovani. Le transizioni di fase della cromatina dall’interfase alla mitosi presuppongono dei cambiamenti strutturali e morfologici dei cromosomi. I cambiamenti strutturali dei cromosomi prevedono: -la cromatina è un insieme di DNA e di proteine strutturali chiamate istoni. L’unità strutturale base costituente la cromatina è il NUCLEOSOMA: DNA complessato con un istone. Esistono 5 tipi diversi di istoni, H1, H2, H3, H4, H5 aventi carica positiva (+). Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 80 • Con la TELOFASE si completa la separazione dei cromatidi fratelli, che diventano ora i nuovi cromosomi della cellula, si ricostituisce la membrana nucleare e con la chiusura della membrana nucleare i cromosomi decondensano e ritornano eucromatina o eterocromatina. Durante la telofase i cromosomi arrivano ai poli e si torna a condizioni simili all'interfase. Successivamente si ha un’ultima sottofase finale: • CITODIERESI O CITOCINESI la divisione del citoplasma per produrre due cellule figlie, è l'ultimo passaggio della fase M. La cellula in telofase ha 2 nuclei all’interno; in questa fase si ha la separazione del citoplasma: i microfilamenti del citoscheletro ritirano la cortex cellulare (reticolato al di sotto della membrana plasmatica) verso l’interno per separare il citoplasma in due cellule figlie simmetriche dal punto di vista del volume. La notevole regolarità del processo di divisione cellulare assicura che ogni nucleo figlia riceva esattamente lo stesso numero e lo stesso tipo di cromosomi che aveva la cellula madre. Quindi, con poche eccezioni, ogni cellula di un organismo multicellulare ha la stessa composizione genetica. MITOSI: è il processo cellulare mediante il quale è assicurata la precisa distribuzione di copie esatte del materiale genetico a due cellule figlie che risultano geneticamente identiche tra loro e rispetto alla cellula madre. In realtà sono documentati casi di RICOMBINAZIONE MITOTICA (cellule tumorali) LA MITOSI ASSICURA L’ESATTA RIPARTIZIONE DEL MATERIALE NUCLEARE IN DUE CELLULE FIGLIE MA GLI ORGANULI CELLULARI, QUALI RIBOSOMI E MITOCONDRI, NON SONO RIPARTITI IN MODO PRECISO (Se carenti saranno rimpiazzati durante la Fase G1 successiva) FUSO MITOTICO Diventa un sistema di controllo della mitosi. Alcune fibre del fuso mitotico si attaccano al cinetocore (struttura del centromero, piastra appiccicosa che ha attaccato un certo numero di microtubuli). Un singolo cinetocore ha tanti microtubuli (15-35) per dare certezza che la separazione dei cromatidi avvenga in modo corretto. Le fibre del fuso che si attaccano ai cinetocori sono chiamate fibre cinetocoriche. Esistono però dei microtubuli non cinetocorici che prendono contatto con le braccia lunghe e corte dei cromosomi e servono per mantenere i cromosomi in asse, nella giusta disposizione e orientazione. Esistono microtubuli che mettono in asse i cromosomi in modo adeguato e altri microtubuli polari che vanno da un polo all’altro per spingere lateralmente la cellula e farla allungare. Con la citodieresi si completa il ciclo cellulare. Da una cellula madre nascono due cellule figlie con lo stesso corredo genetico della madre di partenza. Sono geneticamente uguali tra loro e uguali alla cellula madre. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 81 Ciò che cambia è ciò che è presente nel citoplasma perché durante la citodieresi la divisione degli organelli interni è casuale. Se gli organuli cellulari non sono ripartiti in modo equo, nella fase G1 (fase di accrescimento) successiva la cellula può eliminare o produrre organelli in base alle richieste del suo metabolismo. In mitosi NON avviene RICOMBINAZIONE GENETICA (non c’è scambio di materiale genetico tra i cromosomi). ESAME: QUAL E’ IL CICLO CELLULARE DELLE CELLULE LABILI? Questo è un ciclo cellulare classico caratteristico delle cellule labili (cellule in continua fase di accrescimento e proliferazione). Le cellule labili attraversano rapidamente le diverse fasi del ciclo cellulare. Questo avviene nelle cellule epiteliali, cellule del sangue. CELLULE STABILI: nascono ed entrano in fase G1 (fase di accrescimento, di metabolismo attivo) e a un certo punto si bloccano in fase G1. Continuano a svolgere le proprie funzioni ma non si replicano. Possono stare ferme diverse anni senza entrare in mitosi, anche se sono in grado di compierla. Per esempio gli epatociti, quando vengono danneggiati, riescono a entrare in mitosi e replicarsi. CELLULE PERENNI nascono ed entrano in fase G1 ma restano bloccate in fase G1 per tutta la loro esistenza. Le cellule perenni si fermano in una fase G1 modificata chiamata fase G0. ESAME cellule bloccate in fase G0 è una fase G1 in cui la cellula è attiva dal punto di vista del metabolismo, svolge tutte le funzioni, sintetizza tutto ciò che le serve per la sua vita. Sono principalmente i neuroni e i miocardiociti. MIOCARDIOCITI E NEURONI Perdono la capacità di moltiplicarsi una volta raggiunta la differenziazione e la maturazione. Si fermano bloccate in fase G0 COME AVVIENE LA REGOLAZIONE DELLE DIVERSE FASI DEL CICLO CELLULARE? Le cellule hanno un orologio biologico interno definito da alcune proteine che vengono sintetizzate nel momento in cui la cellula deve passare da una fase alla successiva. Vengono prodotte proteine specifiche che inducono la cellula a passare alla fase successiva ma ci possono essere anche dei segnali esterni che fanno procedere il ciclo cellulare. Le cellule che muoiono e anche quelle vicine rilasciano citochine che hanno la funzione di scatenare una risposta infiammatoria. Anche nelle cellule labili è presente un orologio biologico che le porta a procedere il loro ciclo cellulare; in esse il loro orologio biologico interno è coordinato con il funzionamento di altre cellule che devono morire. Nelle cellule animali esiste un sistema chiamato INIBIZIONE DA CONTATTO: per non avere tessuti che crescono all’infinito, le cellule che sono vicine le une alle altre inibiscono la loro fase proliferativa (cellule a contatto inibiscono la crescita delle altre). Le cellule tumorali non risentono dell’inibizione da contatto. Quando il fattore di crescita che agisce per via paracrina si lega al recettore, si attiva una proteina G che provoca a sua volta una serie di reazioni a cascata che portano all’attivazione della Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 82 sintesi di una proteina specifica che diventa il segnale per passare da una fase alla successiva. Tale proteina stimola in ciclo cellulare. Ciò nelle cellule perenni ciò non avviene però l’EGF (fattore di crescita dell’epidermide) ha la capacità di stimolare la crescita dei neuroni durante la vita intrauterina. Quali sono le proteine che nel momento in cui ricevono un segnale dall’esterno o di tipo autocrino da un orologio biologico interno fanno passare la cellula dalla fase G1 alla fase S o dalla fase S alla G2? È un complesso proteico in cui la proteina principale è la CDK (chinasi dipendente dalla ciclina). Appartiene a una famiglia di proteine fosforilartici (chinasi) che hanno la capacità di attaccare gruppi fosfato; una volta attivate esse vanno ad attaccare gruppi fosfato ad altre proteine per attivarle. Attivando un sistema multiproteico, esso diventa il segnale specifico di passaggio da una fase alla successiva. Grafico: scala del tempo della vita della cellula sulle x sulle y la concentrazione di CDK e la concentrazione di una seconda proteina chiamata CICLINA: all’inizio di ogni fase, la concentrazione della CDK è alta e costante in tutto il tempo di vita della cellula. Quando nasce la cellula la concentrazione di ciclina è pari a 0. A un certo punto della vita della cellula la concentrazione di ciclina aumenta e raggiunge un picco: quando raggiunge il picco, la CDK che è in forma inattiva diventa attiva grazie all’unione con la ciclina. Il legame CDK-ciclina all’aumento della concentrazione di ciclina è il segnale che la cellula deve passare alla fase successiva. A questo punto la ciclina non viene più prodotta e scompare di colpo, la cellula è entrata nella fase successiva (S). In fase S avviene lo stesso, la ciclina è leggermente diversa rispetto a quella nella fase G1. L’aumento della sintesi di ciclina è il segnale per passare dalla fase S alla fase G2. Stessa cosa avviene nella fase G2. In questa fase si forma un legame tra ciclina e CDK e si crea un sistema proteico chiamato MPF (fattore promuovente la mitosi) che promuove il passaggio della cellula in mitosi. Il complesso CDK-ciclina è un complesso proteico che regola il passaggio di fase dell’interfase. Il complesso che si forma nella fase G2 per entrare in mitosi dà vita a un complesso proteico specifico MPF ATTIVO (fattore promuovente la mitosi) e la cellula entra in mitosi. In mitosi i sistemi che dicono alla cellula di passare da una fase all’altra della mitosi sono i sistemi di controllo in mitosi. Questi non sono stati ancora identificati. L’unico sistema identificato è il “Check point mitotico”, un punto di controllo in mitosi che avviene tra la metafase e l’anafase: c’è un complesso di proteine chiamato “complesso di promozione dell’anafase” (APC) che durante la metafase va a verificare che ogni cromatidio abbiamo un certo numero di fibre del fuso attaccate. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 85 Molte malattie sono associate all’aumento dell’apoptosi delle cellule. Alcune di queste sono l’AIDS, malattie neurodegenerative come l’Alzheimer o il Parkinson (dovute a processi apoptotici indotti dall’inquinamento), epatopatia etanolica (nell’alcolismo cronico l’alcol è pericoloso a livello epatico perché le cellule muoiono per apoptosi, e anche se inizialmente questo non è un problema perché le cellule, anche se stabili, riescono a sostituire le cellule morte, ma con il passare del tempo le cellule non vengono più sostituite da altri epatociti ma da fibre proteiche formando cicatrici, la cirrosi epatica). Nei tumori la parte più interna fa fatica a ricevere il nutrimento e quindi muore per apoptosi (via estrinseca apoptotica perché non arriva il nutrimento). Cosa succede nella fase S della replicazione del DNA a livello molecolare? I due filamenti del DNA sono costituiti da nucleotidi (zucchero pentoso, base azotata e fosfato). Il gruppo fosfato porta cariche negative e quindi la molecola del DNA è polarizzata negativamente. Ogni filamento è formato da nucleotidi le cui basi azotate si legano attraverso legami idrogeno (2 legami a H tra A-T e 3 legami a H tra G-C). DNA 1. Elica a doppio filamento 2. Diametro uniforme 3. Destrorsa 4. Filamenti antiparalleli (hanno direzioni opposte) 5. Zucchero: Desossiribosio (H legato al C2) 6. Adenina-Timina, Guanina-Citosina ESAME: REGOLA DI CHARGAFF STABILISCE CHE CI SIA SEMPRE UN LEGAME TRA UNA PURINA E UNA PIRIMIDINA. Questo è il motivo per cui il DNA ha sempre una disposizione antiparallela (se due pirimidine si legassero insieme, la molecola di DNA si restringerebbe, se invece due purine si legassero, allora la molecola si allargherebbe). Il filamento di DNA ha sempre una disposizione antiparallela. Questo ci permette di stabilire le percentuali di basi azotate presenti 20% di C 20 di G 30% di A 30% di T Se il 20% di C nell’RNA la T è sostituita dall’Uracile. % di Timina nell’RNA? 0% perché la timina nell’RNA è sostituita dall’Uracile. Architettura molecolare DNA: -Modello Beta modello di DNA spiegato da Watson e Crick, destrogiro -Modello Zeta ha un’elica sinistrorsa -Modello A si differenzia principalmente per la forma dei solchi (il solco maggiore è più profondo mentre quello minore è più ampio e superficiale) All’interno delle cellule si possono avere altre strutture del DNA diverse del modello Beta, ovvero i modelli Z e A: sono strutture del DNA modificate rispetto alla struttura beta che inattivano certe porzioni di DNA e quindi i geni diventano silenti. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 86 Come viene replicato il DNA di una cellula nella fase S??? Esistono 3 possibili modelli replicativi del DNA: 1. Modello semiconservativo: ogni filamento originario funziona da stampo. Le sequenze nucleotidiche dei filamenti preesistenti fanno da stampo e dettano le sequenze dei nuovi filamenti. La complementarità del DNA fa si che la replicazione del DNA generi due copie esatte della molecola originale. 2. Replicazione conservativa: la vecchia molecola rimane tale e quale e ne viene sintetizzata una nuova. Entrambi i filamenti genitori rimarrebbero insieme e i due filamenti appena sintetizzati formerebbero una seconda doppia elica. 3. Replicazione dispersiva: si ha la dispersione di vecchi e nuovi filamenti all’interno delle due molecole. Il filamento parentale e quello appena sintetizzato potrebbero mescolarsi casualmente durante il processo di replicazione. Tale replicazione produce due molecole i cui filamenti sarebbero costituiti da frammenti di DNA vecchio e frammenti di DNA neosintetizzato dispersi. Due ricercatori (Meselson e Stahl) fecero un esperimento utilizzando nucleotidi marcati radioattivamente. Si rendono conto che l’unico modello di replicazione accettabile è la replicazione semiconservativa: il DNA viene replicato in modo semiconservativo e ogni filamento vecchio funziona da stampo. Come avviene la REPLICAZIONE SEMICONSERVATIVA? I due filamenti di DNA sono antiparalleli. Ogni volta che gli enzimi devono sintetizzare il nuovo filamento, i nucleotidi si possono attaccare a livello del C5 o del C3 dello zucchero pentoso. Gli enzimi biologici presenti nelle cellule possono SOLO attaccare nucleotidi al C3 dello zucchero (non sono in grado di attaccarli al C5). L’allungamento del DNA avviene in direzione 5’→3’ Il DNA si accresce in lunghezza dall’estremità 5’ all’estremità 3’. E quindi i nuovi nucleotidi sono sempre attaccati all’estremità 3’. I due filamenti sono antiparalleli: un filamento inizia sempre con estremità 5 libera e finisce con 3; l’altro filamento ha direzionalità opposta. La replicazione del DNA inizia a livello di siti specifici sulla molecola di DNA, detti origini di replicazione, dove piccoli segmenti della doppia elica despiralizzano. 1° enzima che interviene nella replicazione: ELICASI: ha la funzione di aprire la doppia elica di DNA. Si legano al DNA in corrispondenza dell’origine di replicazione e rompono i legami a idrogeno. Si crea una bolla di replicazione le cui estremità sono chiamate forcelle di replicazione. L’elicasi arriva e apre i due filamenti in una struttura chiamata forcella di replicazione. L’enzima separa i due filamenti rompendo i legami a idrogeno tra le basi azotate e apre la doppia elica in due filamenti singoli. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 87 2° enzima: TOPOISOMERASI siccome i filamenti di DNA aperti sono molto instabili (il DNA ha una tendenza naturale a rinaturarsi per complementarietà di basi, e quindi richiudersi; nel caso in cui sono presenti regioni ricche di sequenze di adenine o di timine, possono richiudersi tra loro stessi formando dei loop) la topoisomerasi mantiene aperto il DNA e rimuove la tensione che si crea a valle dell’elicasi man mano che l’elicasi avanza. Insieme alla topoisomerasi intervengono anche le PROTEINE STABILIZZANTI IL SINGOLO FILAMENTO: esse si posizionano sulla parte esterna del singolo filamento per mantenerlo aperto. Tengono aperto e disteso il singolo filamento. Gli enzimi che catalizzano il legame fra i vari nucleotidi sono chiamati DNA polimerasi; essi sono in grado di aggiungere nucleotidi solamente al terminale 3’ di una catena polinucleotidica in corso di sintesi, che deve essere perfettamente appaiata al filamento che viene copiato. Come substrato per la reazione di polimerizzazione vengono utilizzati nucleotidi. Poiché la nuova catena polinucleotidica si allunga attraverso il legame tra il gruppo fosfato in posizione 5’ dello zucchero del nucleotide aggiunto e il gruppo ossidrilico in posizione 3’ dello zucchero presente all’estremità della catena, il nuovo filamento di DNA cresce sempre in direzione 5’ → 3’. DNA POLIMERASI: è l’enzima che polimerizza i nuovi nucleotidi leggendo lo stampo. Essa sintetizza solo in direzione 5’→3’ (legge il DNA stampo in direzione 3’-5’). Può iniziare la polimerizzazione della molecola solo se sono presenti dei primer, ovvero degli inneschi. La DNA polimerasi è un enzima che è in grado di attaccare nucleotidi sono nell’estremità 3’ di un nucleotide già presente. Prima della DNA polimerasi interviene un altro enzima chiamato PRIMASI che inserisce un primer di innesco (sequenza di RNA di 20/30 nucleotidi). Tale sequenza di RNA ha una direzione 5’-3’. Dopo pochi nucleotidi aggiunti, la primasi è spiazzata dalla DNA polimerasi, che può quindi aggiungere le subunità all’estremità 3’ del primer di RNA. Successivamente, il primer verrà degradato da enzimi specifici e sostituito da DNA. La DNA polimerasi si attacca nell’estremità 3’ del primer, segue l’elicasi, e sintetizza tutto il filamento in modo continuo man mano che l’elicasi apre la forcella di replicazione. Va dietro pari pari all’elicasi. Il filamento stampo 5’→3’ è il FILAMENTO GUIDA (o filamento anticipato/continuo) viene sintetizzato senza interruzione nella direzione della forcella di replicazione Il primer posizionato dalla primasi nell’altro filamento ha direzione 5’-3’ e si trova alla fine del filamento stampo. La DNA polimerasi però non può sintetizzare partendo dall’estremità 5’. Allora la primasi si sposta e posiziona il proprio primer più avanti. La polimerasi si attacca all’estremità 3’ e sintetizza la nuova molecola di DNA. Il primer viene degradato e rimpiazzato con DNA sintetizzato dalla DNA polimerasi. La DNA polimerasi è però costretta a seguire l’elicasi. La DNA primasi catalizza periodicamente la sintesi di un RNA primer sul filamento in ritardo. La sintesi del filamento 3’-5’ è una sintesi a frammenti perché la primasi deve mettere una serie di frammenti di innesco (chiamati frammenti di Okazaki) che consentono alla polimerasi di attaccarsi e di sintetizzare il DNA. La sintesi di ogni frammento di Okazaki inizia con la sintesi di un RNA primer. Una volta iniziato l’allungamento l’RNA primer viene degradato e gli spazi vuoti vengono riempiti con nuovo DNA. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 90 FUNZIONE del DNA – ORGANIZZAZIONE del GENOMA UMANO I prodotti del DNA sono le proteine e l’RNA. Il codice genetico è il principale portatore dell’informazione che codifica per la sintesi proteica e per la sintesi degli RNA. Un GENE è una sequenza nucleotidica che codifica per una o più proteine e per RNA. Da un singolo gene si possono produrre più proteine (un tempo si pensava che da un singolo gene si potesse produrre una sola proteina, in realtà oggi si sa che noi abbiamo circa 25 mila geni che codificano per centinaia di migliaia di proteine). Il GENOMA è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e al mantenimento di un organismo vivente. Gli organismi unicellulari e pluricellulari hanno genomi a DNA mentre alcuni virus hanno genomi a RNA. Il genoma umano è composto dal genoma nucleare e da quello mitocondriale. GENOMA NUCLEARE Contiene circa 6 miliardi di nucleotidi raggruppati in molecole lineari (cromosomi): 22 coppie di autosomi (coppie di cromosomi uguali) 1 coppia di cromosomi sessuali, X e Y (XX,XY) -Gameti (aploidi n=23) Nel nostro genoma sono presenti 6 miliardi di nucleotidi strutturati in 46 molecole lineari di DNA. GENOMA MITOCONDRIALE E' una molecola di DNA circolare (16 mila nt) presente in copie numerose nei mitocondri Contiene informazioni per la sintesi di molecole di rRNA e tRNA. La componente genica del nostro genoma corrisponde all’incirca a un 5%. Il restante 95% è costituita da altre componenti di DNA come: -PSEUDOGENI: sequenze di DNA simili alle sequenze geniche ma in realtà non sono codificanti (non vengono utilizzati per produrre proteine e RNA) -TRASPOSONI: sono sequenze di DNA che viaggiano all’interno del nostro genoma, si spostano. Per lungo tempo si è pensato che il 5% del DNA fosse un DNA codificante mentre il restante 95% veniva chiamato “Junk DNA” ovvero DNA spazzatura. Si pensava che non servisse a nulla. Poco alla volta sono stati messi evidenza alcuni aspetti strutturali del DNA per esempio i telomeri. I geni che regolano le funzioni fondamentali dell’organismo (come geni che codificano per proteine che regolano respirazione, come per esempio l’emoglobina) sono CONSERVATI (hanno sequenze nucleotidiche uguali in tutti i gruppi tassonomici, ovvero i gruppi nei quali vengono classificati gli esseri viventi). I geni che contengono le informazioni dei meccanismi fondamentali dello sviluppo e del metabolismo, sono presenti e restano identici o molto simili in tutte le specie viventi Il DNA non varia all’interno dello stesso individuo, tutte le cellule del nostro organismo hanno lo stesso DNA. Il nostro codice genico è formato da 25 mila geni. In ogni cellula di uno stesso individuo è presente una libreria genica (il nucleo) che contiene circa 25 mila libri (geni). In tutte le cellule dell’organismo si trovano sempre le stesse identiche informazioni necessarie al funzionamento di tutte varie cellule dell’organismo. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 91 Tutte le cellule di un organismo pluricellulare hanno la stessa “libreria” di istruzioni, composta sempre dagli stessi libri. Tuttavia, in ogni tipo di cellula soltanto alcuni libri verranno “letti”, la maggior parte rimarrà invece inutilizzata. Alcune informazioni sono utilizzate allo stesso modo da ogni tipo di cellula, altre sono invece caratteristiche di determinati tipi cellulari. È quindi molto importante la lettura dei diversi geni nelle diverse cellule ma anche la regolazione della lettura affinché il messaggio genetico sia un messaggio corretto. Un GENE è un segmento di genoma contenente l’informazione per la sintesi di una o più proteine. Non tutti i geni però codificano per proteine. Alcuni di essi codificano per vari tipi di RNA non codificante come tRNA (piccoli RNA coinvolti nella sintesi proteica con funzione di trasporto degli amminoacidi al ribosoma) e rRNA (componente strutturale dei ribosomi). I geni codificanti per proteine sono quelli che vengono trascritti in mRNA. A loro volta però i geni codificanti contengono una parte realmente codificante, che specifica la sequenza degli aminoacidi che costituiranno la proteina, ed una parte non codificante. I geni codificanti contengono nella parte inziale la REGIONE DEL PROMOTORE ovvero una regione regolatrice che si occupa della regolazione di tutto ciò che sta a valle nella sequenza che verrà trascritta in mRNA. A valle della regione del promotore ci sono sequenze nucleotidiche codificanti che portano il vero messaggio della sintesi delle proteine o degli RNA, gli ESONI, ai quali sono alternate altre sequenze spaziatrici non codificanti, gli INTRONI. Gli esoni sono le vere regioni codificanti del genoma che sono spaziate e intervallate dagli introni che fanno parte del gene ma non sono codificanti. La sequenza trascritta è costituita da due tipi di elementi detti esoni ed introni. Gli esoni contengono informazioni per la sintesi delle proteine. Se da un gene si toglie la regione del promotore e gli introni, la porzione codificante del genoma scende dal 5% a circa il 2 %. DNA codificante < 2%, circa il 98.5% del genoma umano è composto da sequenze non codificanti. Inoltre esistono delle regioni, definite REGIONI UTR, comprendenti il primo esone, parte del secondo esone e parte dell’ultimo esone, che vengono eliminate. Sono regioni teoricamente codificanti ma non hanno un ruolo preciso, sono regioni che vengono trascritte ma non tradotte. UTR: UnTranslated Region È stato scoperto anche che in molti geni, l’introne numero 1 e a volte anche l’introne numero 2, collaborano con la regione del promotore nella regolazione dell’espressione del gene ovvero nella regolazione di quanto efficiente è la trascrizione degli esoni. Per passare dalle porzioni esoniche non UTR dei geni alle proteine/RNA avvengono 4 fasi che fanno parte dell’ESPRESSIONE GENICA (che porta alla sintesi di proteine o RNA ribosomiali o transfer) Dove sono situati i geni per gli rRNA? Nel nucleolo (regione che concentra la componente genica per la sintesi degli RNA ribosomiali) Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 92 1. TRASCRIZIONE dal DNA al pre-mRNA 2. MATURAZIONE del TRASCRITTO PRIMARIO dal pre-mRNA all’mRNA 3. TRADUZIONE dall’mRNA alla proteina 4. ASSEMBLAGGIO, RIELABORAZIONE e MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI L’intermediario nel passaggio tra DNA e catena polipeptidica è l’RNA, l’acido ribonucleico. L’RNA è diverso dal DNA perché ha come zucchero pentoso il ribosio (-OH in C2); contiene l’Uracile al posto della timina ed è nella maggior parte dei casi un acido nucleico a singolo filamento. Esistono tipi diversi di RNA: -messaggero sequenza genica di DNA trascritta in mRNA -ribosomiale -transfer I procarioti che non hanno un nucleo e quindi neanche una membrana nucleare, hanno geni senza introni perché sono geni molto semplici. La componente genica dei procarioti è tutta codificante. I geni senza introni, geni intronless, esistono anche nel genoma umano, ma sono pochi. Esistono anche regioni del promotore che regolano più geni associati tra di loro. Esistono dei promotori condivisi che regolano l’espressione di più geni vicini tra di loro. 1. TRASCRIZIONE L’enzima che interviene e che catalizza la trascrizione è l’RNA POLIMERASI (è una RNA polimerasi-DNA dipendente): entra nella doppia elica del DNA e utilizza solo uno dei due filamenti per la trascrizione. Al contrario della sintesi del DNA, la sintesi dell’RNA non richiede un primer. La sintesi procede sempre in direzione 5’→3’. Il filamento genico è letto da 3’ a 5’ (viene letto in direzione opposta alla direzione di sintesi) La griglia di lettura genica sul gene è da 3’ a 5’. Con la trascrizione viene prodotto un acido nucleico diverso dal DNA che non è mRNA ma è un trascritto primario chiamato pre-mRNA. Il trascritto primario si ha solo negli eucarioti Negli eucarioti la fase di trascrizione viene compiuta dall’RNA POLIMERASI II. Negli eucarioti la regione del promotore viene identificata da una sequenza nucleotidica caratteristica specifica chiamata TATA BOX. È una regione che si trova a -25 nucleotidi dal primo nucleotide da trascrivere. In alcuni geni è presente il CAAT BOX. Il TATA BOX è fondamentale perché è una sequenza specifica che viene riconosciuta dall’RNA polimerasi II. L’RNA polimerasi si aggancia al TATA BOX grazie alla presenza una serie di proteine specifiche, i FATTORI DI TRASCRIZIONE. Queste proteine consentono il corretto legame tra RNA polimerasi II e il promotore, rendendo il legame tra questi più stabile. I fattori trascrizionali hanno una conformazione particolare: sono fatti ad uncino e sono in grado di aprire i due filamenti del DNA. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 95 È un processo che comporta la conversione del codice da quattro basi azotate dell’acido nucleico a 20 aminoacidi dei polipeptidi. Una volta nel citoplasma l’mRNA si lega al ribosoma e la sequenza dell’mRNA viene letta secondo un codice a triplette: ogni 3 basi azotate definiscono un CODONE che codifica per un amminoacido. Ogni sequenza di 3 nucleotidi nell’mRNA è definita CODONE e codifica per un particolare aminoacido. 43=64 Esistono 64 possibili codoni (combinazioni) che danno amminoacidi. Gli amminoacidi in natura sono 20. Questo significa che il codice genetico è un codice RIDONDANTE e DEGENERATO ovvero sono presenti più triplette (codoni) che codificano per uno stesso amminoacido. 4 delle 64 triplette sono definiti “codoni di punteggiatura” ovvero sono codoni che hanno la funzione di segnare l’inizio e la fine della sequenza nucleotidica da tradurre in proteina. -La metionina è sempre il primo amminoacido che viene codificato. La tripletta che codifica per la metionina e costituisce quindi il codone di inizio è AUG. La metionina è sempre il primo amminoacido a essere codificato nei vertebrati; questa può essere poi tolta nelle modifiche post-traduzionali. PROLINA, SERINA, VALINA…: qualsiasi base azotata è presente in posizione 3 della tripletta, l’amminoacido codificato è sempre lo stesso. Qualsiasi mutazione puntiforme che avviene nel DNA e che cade nella terza posizione del codone non comporta il cambiamento dell’amminoacido (fenotipico, non porta nessuna conseguenza). Il DNA contiene particolari geni per gli RNA transfer che, una volta trascritti, danno origine ai tRNA. Ciascun tipo di molecola di tRNA si lega ad uno specifico amminoacido. Particolari enzimi, chiamati aminoacil-tRNA sintetasi, legano, con un legame covalente, gli aminoacidi alle rispettive molecole di tRNA. Ogni molecola di tRNA deve avere diverse proprietà specifiche: 1. deve possedere un ANTICODONE, cioè una specifica sequenza che possa legarsi al codone complementare presente sull’mRNA 2. deve essere riconosciuta da una specifica aminoacil-tRNA sintetasi che leghi il corretto aminoacido nell’estremità 3’ 3. deve possedere una regione che funga da sito di attacco per l’amminoacido specificato dall’anticodone 4. deve essere riconosciuta dai ribosomi. Il tRNA viene prodotto da una RNA polimerasi che ha trascritto i geni codificanti per i tRNA. L’RNA messaggero arriva nel ribosoma. Ogni tripletta richiama un tRNA specifico che porta legato a se un amminoacido. Il tRNA ha una struttura a trifoglio in parte a singolo filamento, in parte a doppio filamento e ha una regione specifica ad un’estremità chiamata ANTICODONE. L’anticodone si attacca, all’interno del ribosoma, al codone dell’mRNA. L’estremità opposta all’anticodone del tRNA (estremità 3’) lega un amminoacido. L’interazione codone-anticodone avviene nel ribosoma. Il ribosoma presenta quattro siti di legame, uno per l’mRNA e tre per i tRNA. Il sito P è occupato dal tRNA che porta la catena polipeptidica crescente. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 96 Al sito A si lega il tRNA che porta l’aminoacido successivo da inserire nella sequenza amminoacidica. Il sito E, o sito di uscita, è il punto in cui i tRNA che hanno fornito i loro aminoacidi alla catena polipeptidica in crescita lasciano il ribosoma. L’mRNA viene inglobato all’interno delle due subunità del ribosoma (subunità maggiore e minore). Arriva il tRNA che trasporta la metionina e si lega alla tripletta del codone di inizio. Questo si trova nel sito P. Nel Sito A libero arrivano il tRNA si legherà al codone specifico dell’mRNA presente nel sito A. Gli amminoacidi vicini si uniscono con un legame peptidico grazie a un enzima che catalizza la formazione del legame, ovvero RNA RIBOSOMIALE (che è a sua volta un ribozima). Il ribosoma scorre lungo l’mRNA, il tRNA che ha sganciato l’AA esce e ritorna nel citoplasma per essere ricaricato dell’amminoacido. Traslando il ribosoma ciò che è nel sito A va nel sito P. Il sito A ritorna libero e richiama un altro tRNA che si lega portando un altro amminoacido. Avviene così la fase di allungamento della catena polipeptidica fino a quando non si incontra un codone di stop. Nel momento in cui i codoni di stop vengono riconosciuti dal ribosoma, non viene richiamato il tRNA ma viene richiamato un fattore proteico DI TERMINAZIONE. Questa proteina si incunea nel sito A del ribosoma e apre le due subunità ribosomiali. La sintesi della catena polipeptidica termina e la proteina viene liberata. Non esistono tRNA in grado di legarsi ai codoni di stop. Le subunità ribosomiali sono unite durante la traduzione grazie a ioni magnesio. Nel sito A avviene l’attacco codone-anticodone. Dopodiché avviene la TRASLOCAZIONE DEL RIBOSOMA; ciò che era nel sito A si sposta nel sito P e ciò che era nel sito P si sposta nel sito E per uscire. Il tRNA specifico riconosce il codone nel sito A e vi si lega tramite uno specifico appaiamento di basi tra il suo anticodone e il codone complementare sull’mRNA. Si forma quindi un legame peptidico tra il gruppo amminico del nuovo aminoacido e il gruppo carbossilico dell’aminoacido precedente. Durante questo processo, l’aminoacido sul sito P viene rilasciato dal suo tRNA e viene legato all’amminoacido legato al tRNA del sito A. Nella fase di allungamento, nota anche come traslocazione , il ribosoma scorre sull’mRNA avanzando di un singolo codone. Di conseguenza, il codone dell’mRNA che specifica per l’aminoacido successivo si trova posizionato nel sito A, non più occupato in seguito all’avanzamento del ribosoma. La traduzione procede sempre in direzione 5’ → 3’. La sintesi delle proteine inizia sempre nei ribosomi liberi nel citoplasma e questi ribosomi decideranno poi se attaccarsi al RER o meno in base ai primi amminoacidi che vengono posizionati nella catena in sintesi. Se i primi amminoacidi portano un segnale che viene mediato da una particella che si attacca al segnale, allora il ribosoma si attacca al RER e prosegue la sintesi della proteina che viene rilasciata all’interno del RER. Daria Tebaldi UniPr Biologia Animale 97 Se manca il segnale iniziale, il ribosoma rimane libero nel citoplasma. Una sequenza segnale indirizza certe proteine nel RER. I primi AA posizionati nella catena polipeptidica sono importanti per indirizzare la proteina all’interno del citoplasma o all’interno del RER. Questo dipende dai primi amminoacidi posizionati nella catena polipeptidica. 4. fase di modificazioni post-traduzionali Riguarda la fase di FOLDING in cui la proteina raggiunge una struttura secondaria, terziaria o quaternaria. o ESPRESSIONE GENICA DIFFERENZIALE È un processo altamente regolato. Nei procarioti la regolazione genica è legata al funzionamento degli OPERONI: sistema multigenico in cui più geni collaborano. Gli operoni possono essere OPERONI INDUCIBILI o OPERONI REPRIMIBILI (agisce inibendo la sintesi degli enzimi di una via anabolica qualora il prodotto finale di questa sia disponibile). I sistemi inducibili controllano le vie cataboliche (che vengono attivate soltanto quando il substrato è disponibile), mentre i sistemi reprimibili controllano le vie anaboliche (che restano inattive fintanto che il prodotto è disponibile). Il sistema degli operoni è un sistema in cui più geni collaborano regolati da altri geni. Esempio: Operone lattosio. Esistono 3 diversi geni (Lac Z, Lac Y, Lac A) che sono regolati da un singolo promotore. L’operone lattosio è formato da 3 geni che codificano per la sintesi di 3 enzimi necessari per metabolizzare il lattosio. Nella regione del promotore si deve attaccare l’RNA polimerasi che trascrive i 3 geni dai quali si originano 3 enzimi importanti nella digestione del lattosio nella cellula procariotica. La regione del promotore è però regolata da un gene repressore che codifica per una proteina repressore che si va ad attaccare in una porzione del promotore chiamata “operatore”. La proteina repressore prodotta dal gene repressore si lega al promotore e quindi la RNA polimerasi non riesce a legarsi. Il gene che codifica il repressore è costitutivo, ovvero è sempre attivo, e piccole quantità della proteina repressore sono prodotte di continuo. L’operone LAC è un operone inducibile perché, quando arriva il lattosio, una piccola parte di lattosio va a bloccare la proteina repressore. Il repressore è prodotto in continuo ma quando è presente il lattosio, esso inibisce la sintesi di tale proteina. In questo modo la RNA polimerasi è in grado di attaccarsi al promotore e quindi trascrivere l’mRNA che verrà tradotto successivamente producendo i 3 enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio. In assenza di lattosio il repressore è legato all’operatore e i 3 geni dell’operone lattosio sono spenti. In presenza di lattosio il repressore si stacca e i geni vengono attivati. Ciò avviene grazie alla produzione di allolattosio che si lega al repressore (in modo allosterico), ne modifica la sua conformazione e quindi permette il distacco del repressore dall’operatore lasciando libero il promotore.