BIOLOGIA ANIMALE E VEGETALE, Prove d'esame di Biologia

Scarica BIOLOGIA ANIMALE E VEGETALE e più Prove d'esame in PDF di Biologia solo su Docsity! BIOLOGIA STUDIO SCIENTIFICO DEGLI ORGANISMI VIVENTI Tutti gli organismi derivati da un comune Tutto ciò che è vita è interesse della biologia. antenato unicellulare, apparso sulla terra 4miliardi di anni fa. Questi, sia che appartengano al mondo microscopico che a quello macroscopico, presentano CARATTERISTICHE COMUNI, che non si trovano nel mondo non vivente: - Presentano la stessa UNITA’ DI BASE: LA CELLULA  PROCARIOTE: Priva di NUCLEO delimitato da membrana. Costituisce organismi detti procarioti, organismi unicellulari (es. batteri).  EUCARIOTE: Caratterizzata dalla presenza di un NUCLEO, delimitato da un involucro membranoso. Costituisce organismi unicellulari (es. protisti) e organismi pluricellulari (es. piante, funghi, animali), detti eucarioti. - Contengono il DNA, un LIBRETTO DELLE ISTRUZIONI riguardante la costruzione e il funzionamento:  Lettere: NUCLEOTIDI  Parole: CODONI  Frase: GENI  Insieme: GENOMA DNA, complesso tanto quanto lo è l’organismo in questione. È indispensabile per il funzionamento della cellula. - Tutti gli organismi viventi CRESCONO e SI SVILUPPANO:  Aumento delle dimensioni.  Aumento del numero delle cellule.  … - Tutti gli esseri viventi si EVOLVONO ADATTANDOSI ALL’AMBIENTE ai fini della sopravvivenza, perciò sono il risultato di una serie di adattamenti coordinati. Ad esempio:  Adattamenti strutturali.  Adattamenti fisiologici.  Adattamenti comportamentali. - Rispondono agli STIMOLI in base al loro essere semplici o complessi. N.B. Anche le piante rispondono agli stimoli. Ad esempio, i peli presenti sulla superficie della foglia della Venere acchiappamosche sono specializzati nel captare la presenza degli insetti, così che la foglia possa chiudersi e impedirne la fuga. Successivamente vengono secreti degli enzimi che uccidono e digeriscono l’insetto. - Hanno due modi per PROCURARSI IL CIBO:  Provvedendo da sé, in modo autosufficiente (organismo AUTOTROFO).  Non sono autosufficienti, necessitano composti organici (organismo ETEROTROFO). - Sono dotati di MOVIMENTO permette l’interazione con l’ambiente.  Ciglia e flagelli Alcuni animali (spugne, coralli, ostriche), detti SESSILI,  Contrazione muscolare perdono la capacità di movimento da adulti.  Movimento ameboide (tipico di amebe e microfagi) N.B. Anche i vegetali sono dotati di movimento (orientamento in direzione del sole) - Tutti gli esseri viventi regolano il loro METABOLISMO: Complesso di REAZIONI BIOCHIMICHE che si svolgono in ogni organismo vivente e che ne determinano l'accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento. Possono essere:  ANABOLICHE: reazioni finalizzate alla sintesi di nuove molecole con consumo di energia.  CATABOLICHE: reazioni finalizzate alla demolizione di molecole con liberazione di energia. I processi metabolici determinano un continuo cambiamento del corpo, poiché le molecole che lo costituiscono sono continuamente eliminate e sostituite. La capacità di un organismo di mantenersi in vita conservando le medesime caratteristiche è detta OMEOSTASI (= EQUILIBRIO). L'omeostasi permette di mantenere costante la composizione del sangue: i livelli di alcune sostanze, come il glucosio, aumentano quando mangiamo; ma sono riportati presto a livelli normali da ormoni che provvedono ad aumentare l'assorbimento delle sostanze in eccesso. - Tutti gli esseri viventi si RIPRODUCONO:  ASESSUATA (riguarda organismi semplici)  SESSUATA (riguarda la maggior parte di organismi animali e vegetali) METODO SCIENTIFICO PROCEDIMENTO APPLICAZIONE OSSERVAZIONE - Il numero di anfibi sulla terra sta diminuendo. - La scomparsa sembra accelerata in zone trattate con erbicidi. INDIVIDUAZIONE DEL PROBLEMA IPOTESI I pesticidi uccidono gli anfibi (ipotesi fra tante). PREVISIONE DA VERIFICARE ESPERIMENTI PER VERIFICARE LA PREVISIONE - Collezioniamo due RANE (caso e controllo). - Somministriamo un erbicida ad una sola. - Misuriamo la percentuale di sopravvivenza. - Stabiliamo se le due percentuali sono differenti (statistica). RISULTATI La rana “caso” non sopravvive (0%), la rana “controllo” sì (100%). INTERPRETAZIONE E CONCLUSIONI Le due percentuali NON sono significative, poiché la dimensione del campione era troppo piccola e non si poteva tener conto di fattori esterni. Ciò non vuol dire che l’ipotesi sia errata, ma questa deve essere verificata attraverso un campione più grande, visto che la statistica inferenziale studia le proprietà del tutto servendosi di una “parte”. TANTO PIU’ ALTO E’ IL NUMERO DELLA CAMPIONATURA TANTO SARA’ PIU’ PRECISO IL RISULTATO. L’IPOTESI E’ CONFERMATA? L’IPOTESI NON E’ CONFERMATA? ULTERIORI ESPERIMENTI SUGGERITI DAI RISULTATI SVILUPPO DI UNA TEORIA REVISIONE DI TUTTO IL PROCEDIMENTO PRINCIPIO 1. Le molecole organiche possono formarsi spontaneamente in condizioni simili a quelle - Mancanza di ossigeno. che esistevano sulla terra 4x109 anni fa, a - Abbondanza di acqua, acido solfidrico, metano. causa dei frequenti cataclismi. - Energia (generata dalle scariche elettriche). Verifica: ESPERIMENTO DI MILLER - UREY Cercarono di ricreare in un’ampolla l’atmosfera primitiva della Terra, in cui ritenevano dominanti idrogeno, ammoniaca, metano e vapore acqueo. Fecero quindi passare attraverso questi gas una scarica elettrica che simulasse un fulmine; poi raffreddarono il sistema per far condensare i gas, che raccolsero in soluzione acquosa: ne risultò una sorta di brodo primordiale, l’oceano di 4 miliardi di anni fa, ricco di purine, pirimidine, amminoacidi, UNITA’ DELLE MACROMOLECOLE PRINCIPALI. Tuttavia questa ipotesi non spiega come si possa essere formata la prima cellula dalle macromolecole. 2. Secondo l’ipotesi del mondo ad RNA le suddette macromolecole possono essersi unite al punto da formare una molecola di RNA (essendo questa di più semplice formazione rispetto ad una molecola di DNA). Verifica: E’ stato sperimentato che riscaldando miscele di aminoacidi in acqua (proteinoidi) si ottengono delle catene polipeptidiche, dalla cui aggregazione si generano delle microsfere proteiche. Queste PROTOCELLULE, in grado di suddividersi per gemmazione, possono essere considerate nostri PRIMI ANTENATI. 3. Secondo l’ipotesi del mondo a ferro e zolfo, al prima cellula dev’essersi formata nel fondo degli oceani, essendo zone a ricca energia termica, la cui presenza è dovuta alla frequente attività sismica. Queste zone, ricche di ferro e zolfo, si presentano ideali per la nascita di primitivi cicli metabolici, dai quali si sarebbero formate spontaneamente vescicole auto-replicandosi. Verifica: Esistono reazioni metaboliche che necessitano enzimi a base di ferro e zolfo. Per 2 miliardi di anni (dal 5° al 13° giorno del mese) gli organismi sono stati tutti PROCARIOTI MONOCELLULARI. Questi organismi erano eterotrofi anaerobi, poichè vivevano in ambienti privi di ossigeno (principalmente nei fondali oceanici, protetti dai raggi UV) e si nutrivano degradando molecole organiche. Il 13° giorno del mese riporta un evento di notevole importanza per lo sviluppo della vita, LA FOTOSINTESI, Nella fotosintesi la CO2 , H2O e l’ENERGIA LUMINOSA poiché ha arricchito l’atmosfera di ossigeno. vengono trasformati in zucchero e ossigeno. Ha determinato la formazione di due tipi di organismi: -FOTO-AUTOTROFI ANAEROBI: utilizzano come fonte energetica la luce del sole e come fonte di elettroni per fissare il carbonio l’idrogeno solforato (H2S, solfobatteri). -FOTO-AUTOTROFI AEROBI: utilizzano come fonte energetica sempre sole e come fonte di elettroni per fissare il carbonio l’acqua (H2O, cianobatteri). Produzione di O2. Fino al 19°/20° giorno del mese la situazione di vita era ancora estremamente semplice e gli organismi viventi erano tutti unicellulari. Tuttavia nel corso di questo tempo è aumentata considerevolmente la percentuale di OSSIGENO presente nell’atmosfera e ciò ha contribuito ad importanti cambiamenti:  Formazione dello strato di ozono, importante per funzione protettiva dai raggi ultravioletti.  È divenuta possibile la respirazione cellulare, processo di combustione aerobica (molto più efficiente di quella anaerobica), indispensabile per la produzione di ATP, molecola energetica universale.  La cellula diviene sempre più complessa e in grado di soddisfare maggiori esigenze, grazie alla formazione di maggiori comparti subcellulari, nucleo, mitocondri, cloroplasti, e tutti gli altri organuli con lo scorrere del tempo. ORIGINE DELLA CELLULA EUCARIOTICA AEROBICA: TEORIA ENDOSIMBIOTICA Secondo questa teoria la cellula eucariotica avrebbe avuto origine dall’endocitosi di un batterio aerobico da parte di una cellula dal metabolismo anaerobico. Questo processo ha determinato un trasferimento di DNA, conferendo proprietà aerobiche, incidendo sull’efficienza del metabolismo. Verifica: Questa teoria sembra essere confermata dalla presenza di MITOCONDRI o CLOROPLASTI, all’interno della cellula eucariote. Questi organuli infatti, oltre ad essere molto simili ai batteri: - hanno le stesse dimensioni dei batteri. - si dividono per scissione binaria. - costituiscono la centrale energetica della cellula. - presentano un DNA proprio, che in parte trasferiscono al nucleo. - contengono molecole di DNA a doppia elica circolare. - risultano tossici ad antibiotici per cui l’intera cellula non presenta problemi. N.B. In passato la concentrazione di ossigeno era molto più alta rispetto ad ora, poi si è avuto un notevole calo. Adesso è intorno al 20%. Questo ha inciso sull’evoluzione, infatti nel momento in cui c’è stato il calo di ossigeno le specie che non sono riuscite ad adattarsi sono scomparse. Così gli organismi eterotrofi aerobi pian piano prendono il sopravvento sugli altri e al 23°/24° giorno del mese si passa dagli ORGANISMI unicellulari a quelli PLURICELLULARI, con cellule sempre più complesse e specializzate. Questa situazione è andata avanti fino alla formazione dell’homo sapiens, che è comparso sulla terra cinque minuti prima della fine dell’ultimo giorno. I documenti storici che danno informazioni sull’homo sapiens corrispondono agli ultimi secondi prima della scadenza dell’ultimo giorno. MODO SCIENTIFICO PER RECUPERARE L’ETA’ DEI REPERTI ARCHEOLOGIGI: DATAZIONE Il carbonio è l’elemento costituente fondamentale degli organismi viventi. In natura si trovano tre isotopi del carbonio: - 12C isotopi stabili stesso numero atomico - 13C diverso numero di massa - 14C Si forma nell’atmosfera terrestre in seguito alla produzione di neutroni ad alta energia a causa delle radiazioni cosmiche. I neutroni urtando nuclei di 14N formano piccole quantità di 14C. Questo isotopo del carbonio è radioattivo, perciò tende a decadere, ovvero a perdere particelle e radioattività. I radioisotopi hanno un’EMIVITA, un periodo di dimezzamento, che Il 14C decade in 5730 anni. varia da isotopo a isotopo. Nell’atmosfera dunque c’è la formazione di anidride carbonica radioattiva per la combinazione dell’ossigeno con 14C. Successivamente l’anidride carbonica radioattiva viene assimilata dalle piante insieme a quella non radioattiva e la catena alimentare fa sì che questa venga assunta anche dagli animali. Perciò finché gli organismi sono in vita il rapporto 12C/14C resta costante. Alla morte lo scambio cessa e inizia il decadimento del 14C restante, che si dimezza ogni 5730 anni. Perciò se si vuole conoscere l’età di un fossile in cui il rapporto è presente 1/8 rispetto a quello costante è necessario moltiplicare i 3 dimezzamenti ( 1/2, 1/4 e 1/8) per gli anni di dimezzamento. 3x5730 = 17000 anni circa (Ci sono numerosi altri fattori che possono influenzare questo rapporto). METODI DI STUDIO: PROPRIETA’ FONDAMENTALI: MICROSCOPI -INGRANDIMENTO: dimensione dell’immagine, dimensione effettiva dell’oggetto. -RISOLUZIONE: distanza minima tra due punti alla quale essi possono essere distinti. - OTTICI: sfruttano la luce visibile e un sistema di lenti.  Ingrandimento fino a 1500 volte.  Risoluzione bassa (0,2microm). Dipende dai raggi di luce visibile, la cui lunghezza d’onda è tra 400nm (violetto) - 700 nm (rosso). Diminuendo la lunghezza d’onda, ovvero la distanza tra due massimi o due minimi di un’onda (sinosoide) è possibile aumentare la risoluzione.  È possibile fare osservazioni: - IN CAMPO CHIARO: luce attraversa il campione, colorazione, densità variabile. - IN CAMPO SCURO: luce diretta di lato, così che le lenti vengano attraversate solo da quella riflessa. - CONTRASTO DI FASE O INTERFERENZA: scomposizione delle onde luminose così da esaltare differenze di contrasto e densità. - FLUORESCENZA: permette, attraverso la marcatura con il fluorocromo, di localizzare gli elementi presenti nella cellula (DNA – blu, microtubuli – rossi, INCEP – verde). -CONFOCALE: proietta le onde luminose su differenti piani e rileva separatamente sezioni ottiche per ricostruire immagini 3D. anche questo metodo utilizza i fluorocromi (microtubuli – verde). - ELETTRONICI: sfruttano la lunghezza d’onda di fasci di elettroni concentrati.  Ingrandimento per 1.000.000 di volte  Risoluzione 2 µm  È possibile fare osservazioni: -A CAMPIONE -A TRASMISSIONE METODI DI STUDIO: È necessario a separare le varie componenti di una cellula. FRAZIONAMENTO - OMOGENIZZAZIONE: Rottura dei tessuti e delle membrane cellulari. - CENTRIFUGAZIONE: Separazione delle varie frazioni cellulari fino a 500000 giri al minuto. È possibile studiare il risultato della centrifugazione a seguito alla SEDIMENTAZIONE del un corpo solido ad alta densità miscelato ad un fluido a densità più bassa (pellet). Le strutture cellulari in alternativa possono rimanere in soluzione (surnatante). ENERGIA E METABOLISMO Trasformazioni chimiche ed energetiche Capacità di svolgere un lavoro. Il LAVORO BIOLOGICO necessita e produce ENERGIA: Può essere espressa in chilojoule sintesi ( anabolismo ) reazioni che portano alla sintesi (kJ) oppure in chilocalorie (kcal). di nuove molecole, con consumo di energia. degradazione ( catabolismo ) reazioni che portano alla demolizione di molecole, con liberazione di energia. L’energia viene fuori nelle vie cataboliche e serve nelle vie biosintetiche. Energia chimica: energia potenziale contenuta nei legami chimici associata alle molecole che costituiscono gli alimenti. Questa si ottiene dall’ossidazione graduale delle molecole organiche e viene trasformata nella froma più stabile: CO2 e H2O La TERMODINAMICA si occupa dello studio dell’energia e delle sue trasformazioni all’interno di SISTEMI BIOLOGICI APERTI (es. la CELLULA). PRINCIPI: 1. L’energia non può essere né creata, né distrutta, può essere trasformata o trasferita da una forma all’altra. 2. Il disordine dell’universo è in continuo aumento. L’inclinazione al disordine (entropia) è un processo spontaneo. Quando l’energia è convertita da una forma all’altra, una parte di energia utilizzabile per compiere lavoro viene dispersa nell’ambiente come calore. I principi della termodinamica regolano tutte le reazioni chimiche: G = H – TS G= Energia disponibile a compiere un lavoro Può essere positivo o negativo in base a: ΔG = ΔH – TΔS Variazione di energia tra reagenti H = entalpia (energia dei legami chimici) ΔH = ΔG + TΔS e prodotti a fine reazione chimica T = temperatura S = entropia (grado di disordine/ordine). (Maggiore energia maggiore capacità di lavoro) Maggiore è il disordine, maggiore è il grado di entropia. REAZIONI: ESOERGONICHE (spontanee): liberano una certa quantità di energia - CATABOLISMO ENDOERGONICHE (non spontanee): necessitano energia – LAVORO MECCANICO, BIOSINTETICO E DI TRASPORTO I due processi sono strettamente correlati: il CATABOLISMO produce ATP (molecola energetica universale), che viene poi impiegata per il LAVORO MECCANICO, BIOSINTETICO E DI TRASPORTO. L’ATP (ADENOSINA TRIFOSFATO) è un nucleotide, costituito da: - Ribosio - Tre gruppi fosfato (attaccati all’atomo di C5) - Adenina (attaccata all’atomo di C1) L’ENERGIA è contenuta nei legami FOSFATO-FOSFATO, che vengono rotti dall’IDROLISI. ATP  ADP + P1 + E  AMP + 2P + 2E. IL TRASFERIMENTO DI ENERGIA NELLE REAZIONI RED-OX L’energia ricavata dalle macromolecole si forma gradualmente, Reazioni durante le quali una SPECIE CHIMICA: in seguito ad una serie di reazioni chimiche di OSSIDORIDUZIONE. - Si OSSIDA (perde elettroni) - Si RIDUCE (acquista elettroni) In queste reazioni di ossidoriduzione interviene l’NAD+, la nicotinammide adenina dinucleotide, un COENZIMA RICETTORE DI ELETTRONI (come NADP e FAD). XH2 + NAD+  X + NADH + H+ (generico composto in forma ridotta – con molti elettroni) Gli ENZIMI sono PROTEINE CON CENTRO ATTIVO DI REAZIONE che giocano un ruolo fondamentale nella REGOLAZIONE DEI PROCESSI METABOLICI: CATALIZZANO le reazioni, abbassando l’ENERGIA DI ATTIVAZIONE durante lo stato di transizione. (non partecipano alla reazione, restano invariati). Sono altamente specifici, infatti ad ogni reazione è associato un enzima e agiscono in media a 37 °C Enzima + substrato  complesso ES e ad un determinato PH. Complesso ES  enzima + prodotto PROCARIOTI ED EUCARIOTI Tutti gli organismi appartengono ad uno di questi due grandi gruppi, costituiti da cellule procariotiche o eucariotiche. PROCARIOTI: organismi monocellulari, la cui cellula è molto piccola e semplice, similmente alla cellula ancestrale. (archea e batteri) Es. BATTERI (1-10 µm) I più diffusi sono gli escherichia coli. Sono dei batteri gram-negativi (hanno sicuramente l’antigente O). Sono i batteri più facili da far crescere in laboratorio, infatti basta dargli tutto ciò che li serve per vivere a 37°C perché raddoppino dopo 20 minuti. Hanno un unico genoma formato da 4 milioni e 600 mila nucleotidi che codificano per 4300 geni. I batteri hanno dei componenti fondamentali presenti in tutti i procarioti: - NUCLEOIDE: porzione centrale della cellula dalla forma irregolare. Contiene:  Il materiale genetico (60%), ovvero una singola molecola di DNA a doppio filamento circolare.  Proteine ed RNA (30%), fattori di trascrizione ed RNA in trascrizione. - CITOPLASMA: tutto ciò che non fa parte del nucleoide sta nel citoplasma. Costituito da:  Citosol: Porzione solubile: acqua, ioni, molecole organiche (consistenza vischiosa). Porzione insolubile: ribosomi, granuli di riserva, vescicole fosfolipidiche, ecc. - MESOSOMA: Porzione invaginata della membrana plasmatica (presente solo in alcuni batteri). Sulla membrana esterna è presente un LIPOPOLISACCARIDE (LPS) molto importante dalla struttura piuttosto complessa. È formato da una catena polisaccaridica (ripetuta fino a quaranta volte), disaccaridi, catena di acidi grassi. ANTIGENE O: Endotossina che caratterizza la patogenicità di molti batteri Gram-negativi. Questa viene rilasciata in circolo dopo la morte del batterio (in seguito ad antibiotici ad esempio) e scatena una serie di reazioni infiammatorie. La loro denominazione dipende dalla COLORAZIONE GRAM, che Colorazione differenziale basata sul- permette di osservare la forma e la disposizione delle cellule: l’uso di due coloranti intervallati da una decolorazione. COLORANTE PRIMARIO : CRISTAL VIOLETTO (contiene iodio). Si lega ai componenti cellulari acidi e colora tutte le cellule di viola. Successivamente queste vengono trattate con alcol: - Se si tratta di Gram- si decolorano perché la membrana esterna si scioglie e la parete sottile non trattiene il colorante - Se si tratta di Gram+ resistono all’azione del solvente e rimangono viola perché la parete spessa trattiene il colorante all’interno della cellula. COLORANTE DI CONTRASTO: SFRANINA. Questa si lega ai componenti acidi rimasti liberi dei Gram- e li colora in rosso, mentre i Gram+, avendo già assorbito il cristal violetto restano viola. - PLASMIDI: Piccole molecole di DNA circolare, diverso da quello batterico. Sono fonti di variabilità genetica, anche se contengono informazioni non essenziali. Si replicano autonomamente e conferiscono virulenza. Sono molto importanti per:  L’ingegneria genetica, che li utilizza come vettori.  La resistenza agli antibiotici che sono in grado di trasmettere alla cellula ospite. - FLAGELLO: componente elicoidale (costituito da una proteina, la flagellina) che ruota su un asse grazie all’azione di un complesso motore proteico attaccato alla membrana plasmatica. È responsabile del movimento di alcuni batteri (la rimozione impedisce ai batteri di muoversi). Il movimento è associato alla CHEMIOTASSI, la capacità del batterio di spostarsi verso zone in cui il gradiente di nutrimento è maggiore. È strutturato da: 1. Filamento del flagello: si diparte dall’uncino e ruota 2. Struttura ad uncino. 3. Corpo basale: struttura di ancoraggio alla membrana. - PILI e FIMBRIE: Funzioni:  Adesione  Coniugazione: processo che li permette di comunicare e passarsi il DNA. EUCARIOTI: comparsi molto dopo rispetto ai procarioti, si presentano molto più grandi e complessi. Sono costituiti da cellule vegetali o animali e possono essere monocellulari o pluricellulari. Le PRINCIPALI DIFFERENZE rispetto alle cellula procariotiche: - Presenza di comparti interni, formati da sistemi chiusi di membrane che delimitano uno specifico ambiente ionico e di PH. - Presenza di organuli (10-50 micrometri), strutture corpuscolari con funzione propria specializzata. NUCLEO (6): È uno dei più grandi organelli della cellula, infatti occupa il 10% del volume cellulare. Contiene il DNA (materiale genetico) responsabile del funzionamento della cellula, dunque costituisce la sede dei processi ad esso associati: - Replicazione (o duplicazione) - Trascrizione È COSTITUITO da: - MEMBRANA ESTERNA (4): è in continuo con il reticolo endoplasmatico (RE - 8). In superficie presenta i RIBOSOMI (7). Al lume del RE si collega anche lo SPAZIO INTERMEMBRANA. - LAMINA NUCLEARE: riveste la superficie della MEMBRANA INTERNA, alla quale si lega tramite due proteine: l’EMERINA e il RECETTORE DELLA LAMINA B. È formata da LAMINE, proteine fibrose che appartengono alla classe del citoscheletro (filamenti intermedi). Tramite gli istoni H2A e H2B Si lega alla CROMATINA, forma in cui appare il DNA quando la cellula non è impegnata nella divisione cellulare. - COMPLESSO DEL : è formato da tante proteine (circa 100) che interagiscono tra loro attraverso reazioni PORO NUCLEARE idrofobiche. Ha una struttura a canestro, poiché è composto da due grossi anelli, : - Uno più grande da cui si dipartono otto filamenti citoplasmatici (che lo collegano al RE). - Uno più piccolo da cui si dipartono otto filamenti nucleari (che lo collegano alla lamina nucleare). La funzione è quella di regolare il passaggio delle molecole: - DIFFUSIONE PASSIVA: le molecole piccole entrano ed escono liberamente dal nucleo. - TRASPORTO DIPENDENTE DA ENERGIA: molecole più grandi, come RNA e proteine, necessitano energia e il supporto di altre molecole per attraversare il poro. (Questo spiega perche la sintesi proteica avviene fuori dal nucleo). Es. Ingresso di una proteina nel nucleo. 1. La proteina viene munita di una SEQUENZA SEGNALE DI LOCALIZZAZIONE NUCLEARE che la indirizza al nucleo. La sequenza segnale del nucleo è caratterizzata da 7 AMMINOACIDI BASICI: P (prolina) – K (lisina) – K – K – R (arginina) – K – V (valina). 2. Giunta al nucleo la proteina (cargo) viene riconosciuta da una PROTEINA DI TRASPORTO, l’IMPORTINA (nel caso di uscita dal nucleo interviene l’ESPORTINA), e agganciata per essere introdotta nel nucleo. 3. Il movimento di una proteina attraverso il poro è associato ad un cambio di conformazione del trasportatore che determina l’apertura di un canale acquoso nel trasportatore stesso, che rilascia la proteina all’interno del nucleo. 4. Quando il cargo è introdotto nel nucleo interviene un’altra proteina, la RAN, che nella sua fase attiva si lega alla GTP e determina il DIASSEMBLAGGIO del complesso IMPORTINA-PROTEINA. 5. Dunque l’importina viene trasportata fuori dalla RAN-GTP e il GTP viene idrolizzato ad RAN-GDP: GTP + H2O  GDP + P1 6. A questo punto la RAN-GDP ritorna nel nucleo dove viene riconvertita a GTP rendendosi così nuovamente disponibile. - NUCLEOLO (5): piccola struttura nucleare tra le più importanti. Qui avviene:  Trascrizione dell’rRNA.  Maturazione dell’rRNA.  L’assemblaggio dei RIBOSOMI (7). Minuscole particelle che vengono sintetizzate nel nucleo. Si trovano libere nel CITOSOL o attaccate alla membrana del RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO. Hanno una struttura molto semplice costituita da RNA e proteine. Sono formati da: - Subunità maggiore. - Subunità minore. Queste sono generalmente separate e si assemblano soltanto prima della sintesi proteica. La destinazione delle proteine è esplicitata da specifiche SEQUENZE SEGNALE. Queste vengono riconosciute dalla SRP (particella di riconoscimento del segnale) che quindi interrompe la traduzione nel citosol e trasporta la proteina sul RER, agganciandola allo specifico recettore di SRP. Completata la sintesi, le proteine prodotte possono, a seconda della loro natura chimica: - ANCORARSI ALLA MEMBRANA, se si tratta di aminoacidi apolari. - essere TRASFERITE NEL LUME DEL RER, dove subiscono una serie di MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI (avvengono al 90% delle proteine). Es. N-GLICOSILAZIONE: Consiste nell’AGGIUNGERE una voluminosa CATENA DI ZUCCHERI (come glucosio, mannosio) su un atomo di azoto (presente nella catena laterale di alcuni aminoacidi), grazie a determinati enzimi. È un processo molto importante perché: - Modifica la solubilità della proteina. - Gli zuccheri rappresentano un’etichetta per ulteriori spostamenti in altri compartimenti. - Può determinare il funzionamento della proteina. - Può determinare il riconoscimento della cellula. Es. LIPIDAZIONE: Consiste nell’AGGIUNGERE un LIPIDE alla proteina. Molto importante è il GLICOSIL-FOSFATIDIL-INOSITOLO (GPI), utile per l’ancoraggio delle proteine alla membrana plasmatica. Il LUME DEL RER contiene CHAPERONINE, ENZIMI che catalizzano la corretta conformazione della proteina, Quando si verificano degli ERRORI DI CONFORMAZIONE la proteina viene distrutta attraverso il COMPLESSO DEL PROTEASOMA, a cui giunge se marcata da UBIQUITINA, la cui attivazione, trasporto e assemblaggio dipendono da determinati enzimi. Il RER è molto abbondante nelle cellule in cui si producono molte proteine (es. epatociti), mentre gli adipociti, cellule che conservano il grasso, non necessitano di molte proteine, dunque hanno un RER di dimensioni ridotte.  LISCIO: Caratterizzato da un SISTEMA TUBULARE a diretto contatto con il RER, alcune proteine infatti vengono introdotte direttamente nel REL, dove subiscono ulteriori modificazioni. Sebbene il REL sia molto simile al RER, svolge FUNZIONI totalmente differenti: - DEGRADAZIONE DEL GLICOGENO (nelle cellule epatiche e muscolari) - SINTESI LIPIDI E STEROIDI (nelle cellule di cervello, testicoli e ovaie) - MODIFICAZIONE DI SUBSTRATI ESTRANEI (nelle cellule epatiche) - DEPOSITO DI IONI CALCIO (nelle cellule muscolari) La CENTRIFUGAZIONE permette di isolare le membrane del RE sotto forma di piccole particelle, i MICROSOMI. Queste in soluzione si dispongono secondo un ordine ben preciso: liscio sopra, rugoso sotto. - APPARATO DEL GOLGI (9): Sistema di MEMBRANE LAMELLARI (da 1-2 a 20) tra il RE e la membrana plasmatica (più di un apparato nelle piante). Presenta tre distinte REGIONI, che conferiscono polarità strutturale e funzionale: - Faccia cis (più vicina al RE, dal quale riceve materiale). - Faccia mediale. - Faccia trans (più vicina alla membrana plasmatica, impacchetta le molecole in vescicole per trasportarle all’esterno). Funzioni: - Sintetizza molecole complesse e polisaccaridi complessi. - Modifica le glicoproteine. - Impacchetta. - Smista. O-GLICOSILAZIONE Consiste nell’AGGIUNGERE una CATENA DI ZUCCHERI Es. Glicosilazione delle MUCINE. (come glucosio, mannosio) al gruppo -OH (presente L’alterata O-glicosilazione è uno nella catena laterale di alcuni aminoacidi). dei maker delle cellule tumorali. MODIFICAZIONE DELLE PROTEINE N-GLICOSILATE DAL RER Nell’apparato del Golgi vengono aggiunti altri zuccheri (spesso ad alto contenuto di mannosio) ad alcune proteine n-glicosilate del RER. Completata la proteina: - Viene impacchettata in VESCICOLE (10) TRASPORTO VESCICOLARE - Raggiunge la MEMBRANA PLASMATICA E’ un’attività cellulare fondamentale, per cui - (oppure) resta nel CITOSOL fin quando non è richiesta. è importante la specificità dei materiali da trasportare e delle destinazioni finali. Le proteine durante il trasporto sono soggette a ulteriori modificazioni. È BIDIREZIONALE: Le VESCICOLE sono rivestite da tre famiglie di - VIA SECRETORIA (o ESOCITOSI) di LIPIDI e PROTEINE PROTEINE DI RIVESTIMENTO VESCICOLARE, che inizia dal RE, passa attraverso l’APPARATO DEL caratterizzano diversi trasferimenti: GOLGI e arriva alla MEMBRANA PLASMATICA. - COP-I: compiono il percorso dal GOLGI al RE. La secrezione può essere: - COP-II: compiono il percorso dal RE al GOLGI - COSTITUTIVA – TRASPORTO DIRETTO - CLATRINA: secrezione della membrana pla- - REGOLATA – IN RISPOSTA A SEGNALI smatica (lisosomi, endosomi, …). (Es. Secrezione dell’insulina) Costituita da tre catene polipeptidiche - VIA ENDOCITICA che si associano tra loro a formare un Le MOLECOLE EXTRACELLULARI vengono inglobate reticolo a forma di canestro. in vescicole derivate dalla membrana plasmatica trasportate al LISOSOMA attraverso l’ENDOSOMA. FORMAZIONE DELLA VESCICOLA: La vescicola si formano in corrispondenza della membrana dell’APPARATO DEL GOLGI o del RE per GEMMAZIONE: - Le MOLECOLE CARGO si posizionano in prossimità dell’apposito RECETTORE. - La CLATRINA si dispone all’esterno del RICETTORE e, una volta completata la GEMMA, interviene la DINAMINA a provocarne il distacco. - Successivamente la VESCICOLA perde il suo rivestimento. FUSIONE DELLE VESCICOLE - ESOCITOSI La vescicola arrivata a destinazione viene agganciata alla MEMBRANA BERSAGLIO e si fonde con essa attraverso l’interazione con PROTEINE del tessuto bersaglio. Es. SINAPSI NEURONALI Sulla superficie delle vescicole neuronali sono presenti le proteine v-SNARE, che conferiscono la SPECIFICITA’ NELLA DESTINAZIONE FINALE. Queste si legano ad ANALOGHE MOLECOLE PRESENTI SULLA MEMBRANA dove la vescicola è diretta, le t-SNARE, TARGET. Sono state identificate 20 proteine SNARE, ciascuna con specificità di trasporto diverso. L’attacco della vescicola alla membrana è sotto il controllo delle proteine RAB, che aiutano le interazioni tra le sinapsi. TOSSINA BOTULINICA: proteina neurotossica tra i più potenti veleni naturali esistenti al mondo. Ha come bersaglio i complessi SNARE delle terminazioni nervose: interferendo con l’impulso nervoso causa la paralisi dei muscoli caratteristica del botulismo. VESCICOLE IN ENTRATA – ENDOCITOSI - FAGOCITOSI (poco specifica): assunzione di particelle solide da parte della cellula. Utilizzata da: - Alcuni protisti e unicellulari per assumere cibo. - Alcuni leucociti del sangue per eliminare cellule e sostanze estranee. - PINOCITOSI (poco specifica): assunzione di molecole disciolte in acqua da parte della cellula. Avviene con molta frequenza a livello dei vasi sanguini. - ENDOCITOSI MEDIATA DA RICETTORI (specifica): il recettore capta la sostanza da inglobare e la fa entrare nella cellula. Es. Colesterolo. FAGOCITOSI ≠ AUTOFAGIA: funzione propria della cellula che assicura il ricambio dei componenti cellulari. È particolarmente critica in alcuni stadi dello sviluppo embrionale, durante cui l’organismo provvede ad eliminare parti che non gli servono per sopravvivere. (Es. Formazione degli spazi tra le zampe) RESPIRAZIONE CELLULARE Ha sede nei MITOCONDRI perché contengono tutti gli enzimi necessari per effettuarla e sintetizzare l’ATP Può essere: - AEROBIA (richiede O2)  C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H20 + E (ATP)  REAZIONE REDOX Gli idrogeni (o elettroni) sottratti al glucosio (che si trasforma in CO2) sono captati dal NAD+ (che forma NADH) o da una molecola simile ad esso (che forma FADH2). Successivamente vengono rilasciati e la loro energia viene utilizzata per produrre ATP. Infine essi reagiscono con l’O2 per produrre H2O L’energia delle reazioni redox non viene rilasciata rapidamente, come nella combustione, ma gradualmente in tappe o reazioni chimiche sequenziali (reazioni di ossidoriduzione accoppiate). Ha 4 STADI: 1. GLICOLISI: (avviene nel CITOSOL) la degradazione del glucosio, a seguito di una serie di reazioni enzimatiche, produce una molecola chiamata PIRUVATO (o ACIDO PIRUVICO), che entra nel mitocondrio attraverso una serie di molecole di trasporto. Talvolta per la produzione di ATP vengono usati anche altri NUTRIENTI, che entrano nel mitocondrio da altre vie e producono differenti prodotti di scarto. Es. Proteine  NH3 Grassi  CO2 2. FORMAZIONE DELL’ACETIL-COENZIMA A: (avviene nel mitocondrio) dal piruvato si ha la formazione dell’ACETIL-COENZIMA A. 3. CICLIO DELL’ACIDO CITRICO: (avviene nel mitocondrio) l’acetil-coenzima A entra nel CICLO DI KREBS, detto anche DELL’ACIDO CITRICO, poiché questo è il primo di una serie di prodotti di innumerevoli REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE, da cui si ottengono NADH e FADH2, trasportatori di elettroni o equivalenti riducenti. 4. TRASPORTO DEGLI ELETTRONI: avviene sulla membrana mitocondriale interna, dove è presente il E CHEMIOSOMI COMPLESSO DELLA CATENA RESPIRATORIA: Insieme di QUATTRO COMPLESSI ENZIMATICI (formato da diverse subunità proteiche) a cui giungono i PRODOTTI del CICLO DI KREBS. (Cianuro: blocca il complesso 4, motivo per cui è considerato tra i veleni più potenti al mondo) Accanto al 4° COMPLESSO ENZIMATICO è presente l’ATP- SINTETASI, un enzima dotato di una MATRICE e una TESTA, che ruotando può produrre più di 100 molecole di ATP al secondo, visto che CONTIENE TRE SITI DI LEGAME PER ADP E Pi. NADH e FADH2 ATTRAVERSANO LA CATENA RESPIRATORIA CEDENDOVI ELETTRONI (avviando altre reazioni REDOX) e PROTONI, che vengono rilasciati nello SPAZIO INTERMEMBRANA, CARICANDOLO POSITIVAMENTE. Al complesso 4 GLI ELETTRONI RIENTRANO NELLA MATRICE MITOCONDRIALE con conseguente FORMAZIONE DI ACQUA e CREAZIONE DI UN GRADIENTE ELETTROCHIMICO RICCO DI ENERGIA. Ciò determina il RIENTRO DEI PROTONI (attraverso l’ATP-SINTETASI) nella matrice mitocondriale con conseguente trasferimento di energia, utilizzata per sintetizzare l’ATP (subunità β). IL FLUSSO DI H+ infatti determina un CAMBIO CONFORMAZIONALE dell’ATP-SINTETASI che ATTIVA L’ENZIMA, rendendolo capace di FOSFORILARE l’ADP E Pi per formare ATP. (FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA SECONDO LA TEORIA CHEMIOSOMICA) In alcune CELLULE ADIPOSE SPECIALIZZATE, costituenti il GRASSO BRUNO (particolarmente abbondante nei neonati e negli animali ibernanti), ENERGIA DISSIPATA IN CALORE interviene una PROTEINA DISACCOPPIANTE (UCP – uncoupling protein) che inibisce la sintesi di ATP. Permette ai PROTONI di MUOVERSI SECONDO IL LORO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE, dunque questi non giungono all’ATP-SINTETASI, vengono direttamente introdotti nella matrice mitocondriale. La RESPIRAZIONE CELLULARE PRODUCE RADICALI LIBERI  Formazione di un ANIONE SUPEROSSIDO specie altamente reattiva, caratterizzata Gli ANTIOSSIDANTI intervengono tamponando da un OSSIGENO con un elettrone in più. la produzione di radicali liberi, essendo questi responsabili delle malattie cardiovascolari, delle PRODUZIONE DI ACQUA OSSIGENATA infiammazioni, dell’invecchiamento precoce, ecc. STRESS OSSIDATIVO Inevitabile, dovuto alla velocità metabolica dell’organismo e all’efficienza dei mitocondri INVECCHIAMENTO CELLULARE La sintesi di radicali liberi è anche un processo che, se opportunamente controllato, può essere una valida arma contro determinati microorganismi. Durante l'infiammazione, infatti, i macrofagi ed i neutrofili devono produrre ROS (specie altamente reattive dell’ossigeno) per uccidere alcuni batteri da essi fagocitati. - ANAEROBIA  In questo processo il piruvato può prendere due vie e formare: - LATTATO: formazione di NADH che diventa NADH + H+ quando ci si sottopone ad uno sforzo. - ALCOL: dall’NADH si forma ALCOL ETILICO (ciò non avviene nel nostro organismo). Le fermentazioni (alcolica e lattica) hanno una resa energetica (2 molecole di ATP molto inferiore rispetto che alla fosforilazione ossidativa (32 molecole di ATP). STRUTTURE CELLULARI MECCANICHE FUNZIONI: - CITOSCHELETRO (interna) - Coordinazione - MATRICE EXTRACELLULARE (esterna) - Manutenzione e ricambio - Cooperazione tra i vari tipi di tessuto CITOSCHELETRO: RETICOLO PROTEICO che si estende attraverso il CITOPLASMA delle cellule. Costituito da FILAMENTI e TUBULI PROTEICI interconnessi che danno forma e sostegno alle cellule e rendono la STRUTTURA DINAMICA, in continua evoluzione (assemblaggio e disassemblaggio) in base al momento funzionale. Ciascun tipo di filamento è costituito da polimeri di piccole subunità proteiche che la cellula può assemblare e disassemblare a seconda dei vari momenti funzionali. Costituito da tre tipi principali di FIBRE PROTEICHE: - MICROFILAMENTI DI ACTINA: strutture più sottili e flessibili del citoscheletro, formano FASCI PROTEICI PARALLELI o RETICOLARI. Formano il CORTEX CELLULARE (Sotto la membrana plasmatica) Da qui si originano i LAMELLIPODI e i FILLOPODI (movimento). Il LAMELLIPODIO si presenta come una protuberanza che, in seguito alla polimerizzazione dell’actina, si allunga e si ancora tramite le integrine al substrato, con conseguente ritrazione della parte terminale della cellula. FUNZIONI - Determinano la forma della superficie cellulare. - Si occupano della locomozione cellulare (movimento e adesione). - Formano l’anello contrattile per separare la cellula nella mitosi. - Conferiscono stabilità e resistenza agli stress meccanici (Es. Microvilli intestinali). Unità di base: G – ACTINA (375 aa) – PROTEINA GLOBULARE Possiede siti di interazione con: - ATP - Ioni bivalenti - Ioni monovalenti Polimero: F – ACTINA: due protofilamenti avvolti in un’elica. Il processo si assemblaggio o disassemblaggio può essere modificato dalle interazioni dei microtubuli con le PROTEINE ASSOCIATE ai MICROTUBULI (MAP) che destabilizzano o stabilizzano i microtubuli, contribuendo a regolare la forma e la polarità della cellula. Le tubuline che dopo la sintesi vengono fosforilate, acetilate, private di amino acidi terminali, presentano dei siti di legame per le MAP. Esistono: - MAP 1 - MAP 2 - MAP 4 (cellule neuronali: presenti assieme ai filamenti intermedi) - TAU (lesioni nelle cellule encefaliche di soggetti affetti da Alzheimer) FUNZIONI PARTICOLARI (MOVIMENTO CELLULARE): - TRASPORTO VESCICOLARE: Le vescicole sui microtubuli grazie a PROTEINE MOTRICI, formate da:  Dominio motore (interagisce con I microtubuli e idrolizza ATP)  Dominio centrale  Dominio attaccato al cargo Le più importanti sono: - CHINESINE (TRASPORTO CENTRIFUGO) 1a catena lega ADP (distacco) 2a catena lega ATP (rotazione) 1a catena rilascia ADP (attacco) distacco 2a catena pesante (idrolisi di ATP) Queste inoltre posizionano il RE. - DINEINE (TRASPORTO CENTRIPETO) - Cambio conformazionale e distacco - Rilassamento e allungamento - Trascinamento Queste inoltre posizionano il GOLGI. - MOVIMENTO DI CIGLIA E FLAGELLI: Ciglia e flagelli sono formati da microtubuli, che partono da un corpo basale situato nel citosol. Il movimento di ciglia e flagelli è di due tipi: - Flagelli: movimento a frusta - Ciglia: movimento a remo Questo tipo di movimento è generato da un cambio conformazionale (determinato dall’idrolisi di ATP) della dineina che la fa slittare sui microtubuli, che essendo connessi tra loro si flettono generando il tipico movimento ondulatorio. La NEXINA è una proteina che aiuta a tenere uniti i microtubuli. (non interferisce nello scorrimento). Struttura 9+2 (nove coppie di microtubuli che circondano due microtubuli centrali) è la stessa della coda degli spermatozoi. - FILAMENTI INTERMEDI (IF), assenti nelle cellule vegetali, sono strutture citoscheletriche meno solubili, ma anche più robuste, infatti conferiscono forza, sostegno e resistenza agli stress meccanici. Da questi dipende la morfologia cellulare. Perciò sono abbondanti - Nel CITOSOL, dove formano una rete spesso associata ai DESMOSOMI (giunzioni cellulari), che si estende fino alla membrana plasmatica. - Negli EPITELI sottoposti a stress meccanici. - Nel NUCLEO, dove lo mantengono in posizione corretta e costituiscono la LAMINA NUCLEARE . STRUTTURA: Dimeri di polipeptidi allungati avvolti a spirale (α-elica). Coppie di dimeri si associano antiparalleli (non polari) e sfalsati a costruire un TETRAMERO (protofilamento). Otto tetrameri si associano lateralmente e si avvolgono a formare una STRUTTURA A CORDA (E). I FILAMENTI sono SUDDIVISI in: - Porzione centrale (dominio centrale): ha un ruolo nell’assemblaggio - Porzioni terminali: determinano la specificità funzionale. Le CATEGORIE DI FILAMENTI INTERMEDI: - Presentano una organizzazione strutturale comune - Hanno un dominio centrale ad α-elica e a bastoncino costituito da 310 aminoacidi. - Il dominio centrale è affiancato da domini (N)amino- e (C)carbossi- terminale che variano nelle diverse proteine dei filamenti intermedi in dimensione, sequenza e struttura secondaria. Sono SUDDIVISI in CITOPLASMATICI (1, 2, 3) e NUCLEARI (4) 1. CHERATINE: (negli epiteli) sono la famiglia di proteine più nota dei filamenti intermedi e sono diffuse negli epiteli più soggetti a sollecitazioni meccaniche (intestino, capelli, cute, unghie) a cui conferiscono particolare forza e resistenza. Alcune hanno una struttura dura altre più molle. Negli epiteli si intrecciano e formano reti resistenti in presenza dei desmosomi. 2. VIMENTINE E VIMENTINO – SIMILI: (tessuto connettivo, muscolare, neuronale) ruolo di ancoraggio e supporto e degli organelli nel citosol. Sono responsabili dell’integrità cellulare, infatti formano una rete che si estende dal nucleo alla perferia. 3. Neurofilamenti: (cellule nervose) famiglia di filamenti intermedi presenti in alte concentrazioni negli assoni delle cellule nervose dei vertebrati. Danno consistenza e diametro alle terminazione nervose. Alterazioni della struttura o assemblaggio dei filamenti intermedi sono associate alla sclerosi laterale amiotrofica (SLA). 4. Lamine nucleari: (nucleo) rete filamentosa di proteine della famiglia di filamenti intermedi, dà sostegno alle membrane nucleari (specie quella neutra) e siti di ancoraggio per cromatina e proteine del poro nucleare. La lamina nucleare viene distrutta durante la mitosi per permetterne lo svolgimento. Dopo la mitosi si riassembla. Le varie funzioni del citoscheletro sono possibili grazie anche alla presenza di specifiche proteine accessorie. - PROTEOGLICANI: Enormi complessi glicoproteici che costituiscono la componente gelatinosa della matrice, una fitta rete che funge da filtro per la diffusione (molecole, virus, batteri). Costituiti per il 95% da GLICOSAMMINOGLICANI (GAG): Sono una classe molto eterogenea di macromolecole glucidiche, sintetizzate nel Golgi. Danno tono al tessuto, aumentando il grado di idratazione della matrice. A causa della presenza di gruppi acidi, carbossilici e solforici, queste molecole si comportano come POLIANIONI e quindi sono fortemente basofile. Derivano da zuccheri semplici, tra cui: - Acidi uronici - Aminozuccheri Tra tutti i GAG è particolarmente importante l’ACIDO IALURONICO: Si tratta di un polisaccaride non solfato e non ramificato (quindi non legato covalentemente a proteine), costituito dalla ripetizione regolare di un’unità disaccaridica, formata dall’acido glicuronico e dalla N- acetilglucosammina. Conferisce RESILENZA (capacità di riprendere la forma originaria) e MALLEABILITA’ ai tessuti, infatti se alla rete di acido ialuronico viene applicata una pressione, questa si contrae per poi riprendere la sua forma originaria. A differenza degli altri glicosamminoglicani è prodotto da un complesso enzimatico sito sulla superficie interna della membrana plasmatica, da cui viene estruso mentre è ancora legato alla sintasi che lo produce, così che questo possa partecipare prontamente alla creazione di una zona pericellulare idrata. - E’ prodotto in grandi quantità durante lo sviluppo embrionale, in quanto ha una importante funzione come riempitore di spazi, visto che può forzare variazioni di forma di una struttura, dato che assorbendo piccole quantità di acqua diviene in grado di occupare un vasto volume. Infatti l’acido ialuronico è molto importante nella formazione del cuore, della cornea e di diversi altri organi, in quanto serve per creare un spazio libero in cui le cellule possano in un secondo tempo migrare. Quando la migrazione delle cellule cessa, l’eccesso di ialuronato viene di solito degradato dall’ENZIMA IALURONIDASI. - Nei tessuti adulti non viene prodotto in grandi quantità, tuttavia è molto importante durante la fase di guarigione delle ferite e nei tessuti specializzati (come rivestimento della superficie esterna) quali: - La cartilagine - Il cordone ombelicale - L’umor vitreo In questi tessuti l’elevata concentrazione di acido ialuronico ha - Il fluido sinoviale come scopo ritardare i movimenti dell’acqua e ammortizzare gli effetti dei carichi rapidi sulle articolazioni, grazie alla produzione di un gel ad alta viscosità. Inoltre è importante perché esclude la materia particolata o le cellule di grandi dimensioni in modo da permettere un percorso ottico più pulito. È un componente particolarmente importante perché costituisce la struttura portante del proteoglicano a cui sono legati tutti gli altri GAGs. I GAGs sono legati covalentemente alle proteine di sostegno. ADESIONE CELLULARE Può essere: - GIUNZIONALE: è garantita dalle INTEGRINE, proteine integrali della membrana plasmatica, che permettono l’interazione tra cellule e le componenti della MEC. Si tratta di un ETERODIMERO caratterizzato da due catene (α e β), la cui cui estremità C – terminale affonda nella membrana plasmatica. Sono SINTETIZZATE nel RER o nel Golgi. Sono coinvolte nell’adesione cellulare, nella migrazione delle cellule, nel differenziamento cellulare e nell’angiogenesi. Per poter FUNZIONARE hanno bisogno di essere ATTIVATE mediante un segnale proveniente dall’interno o dall’esterno della cellula, che cambiandone la conformazione, le rende altamente affini alle interazioni con altre molecole. - NON GIUNZIONALE: è garantita dalle CADERINE, proteine legate ai filamenti di actina della rispettiva cellula attraverso proteine di ancoraggio. La caderina di una cellula e quella della cellula adiacente interagiscono tra di loro formando legami labili. Le giunzioni sono punti (strutture complesse) di contatto tra le cellule e la MEC. - CELLULA – CELLULA 1. GIUNZIONE STRETTA: Detta anche OCCLUDENTE, è mediata da particolari proteine, come le OCCLUDINE o le CLAUDINE, che sigillano le cellule senza che ci possa essere il passaggio di materiale tra le due. 2. CINTURA DI ADESIONE: determinata dall’interazione tra le CADERINE e i MICROFILAMENTI DI ACTINA del CITOSCHELETRO. Ne risulta un’adesione dinamica, in quanto si viene a creare una cintura contrattile. 3. DESMOSOMA: determinato dall’interazione tra le CADERINE e i FILAMENTI INTERMEDI del CITOSCHELETRO. Ne risulta un’adesione statica, in quanto garantisce resistenza allo stiramento. 4. GIUNZIONE GAP: determinata dalle CONNESSINE, proteine che si uniscono a formano un CONNESSONE (CANALE IDROFILO), permettendo la comunicazione diretta tra le due cellule, regolata da segnali cellulari. - MEC – CELLULA 5. ADESIONE FOCALE: Avviene tra le INTEGRINE e i MICROFILAMENTI DI ACTINA del CITOSCHELETRO. Ne risulta un’adesione dinamica, in quanto permette il movimento, grazie alla presenza di numerose proteine di supporto. 6. EMIDESMOSOMA: Avviene tra le INTEGRINE e i FILAMENTI INTERMEDI del CITOSCHELETRO. Ne risulta un’adesione statica, in quanto permette l’ancoraggio alla MEC. MEMBRANE BIOLOGICHE Delimitano uno spazio importante per distinguere le relazioni interne da quelle esterne. Questo è alla base dell’IDENTITA’ CELLULARE. Funzioni: 1. Barriera di selettività 2. Scambio di molecole 3. Scambio di informazioni 4. Movimento ed espansione Equilibrio dinamico (Non sono delle strutture statiche). Struttura: - Doppio strato fosfolipidico Fosfolipide: molecola anfipatica, sintetizzata in corrispondenza del REL. È caratterizzata da DUE ACIDI GRASSI che determinano la SELETTIVITA’ DELLA MEMBRANA (circa 16-18 atomi di C l’uno). Tra questi si formano DEBOLI INTERAZIONI, dovute ai legami Può essere: di Van der Waals. - Planare  sfavorito energicamente - Chiuso  favorito energicamente È un FLUIDO BIDIMENSIONALE: Il continuo movimento delle molecole è fondamentale Questa caratteristica dipende da: per i processi di trasporto e per le attività enzimatiche - la lunghezza delle catene fosfolipidiche che avvengono a livello della membrana. - la presenza di doppi legami - la presenza di colesterolo Movimenti possibili: - la TEMPERATURA DI TRANSIZIONE DI FASE (Tm) - Flessione - Rotazione La temperatura della membrana deve essere - Diffusione laterale al di sopra di questo valore per essere fluida - Capovolgimento o flip – flop e quindi per poter funzionare correttamente. (Avviene di rado) - ATTIVO: richiede ENERGIA dato che il passaggio avviene CONTRO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE. Essendo quindi TERMODINAMICAMENTE SFAVORITO (ENDOERGONICO), dev’essere accoppiato ad un processo ESOERGONICO e mediato da PROTEINE CARRIER, che devono accoppiare le due reazioni e trasferire i soluti Funzioni: - Rende possibile l’assorbimento di sostanze nutritive dell’ambiente anche quando le loro concentrazioni sono basse rispetto a quelle interne delle cellule. - Permette la rimozione di sostanze metaboliche di rifiuto quando la loro concentrazione all’esterno è più alta che nella cellula. - Consente alla cellula di mantenere le concentrazioni intracellulari di ioni specifici, tra cui K+, Na+, Ca2+ e H+, in una situazione di non equilibrio: in questo modo si bilancia l’effetto del trasporto passivo, che tende ad eguagliare le concentrazione dei soluti.  PRIMARIO: Es. POMPA SODIO/POTASSIO (Na+/K+ -ATPasi) La pompa sodio/potassio sfrutta l’energia derivante dall’ATP, per trasportare contro gradiente di concentrazione: - tre ioni NA+ verso l’ambiente extracellulare - due ioni K+ verso l’ambiente intracellulare 1. La pompa, aperta verso l’interno, lega tre ioni Na+. 2. La fosforilazione dell’ATP determina un cambio conformazionale e gli ioni sodio sono rilasciati all’esterno della cellula. 3. La pompa, aperta verso l’interno, lega due ioni K+. 4. Il rilascio del gruppo fosfato determina un cambio conformazionale che fa entrare gli ioni sodio nella cellula così che il ciclo si possa ripetere.  SECONDARIO: Es. TRASPORTO ATTIVO DEL GLUCOSIO Il trasporto attivo secondario sfrutta la tendenza degli ioni Na+ a rientrare nella cellula per trasportare il glucosio CONTRO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE. All’esterno dunque ci sarà sempre una carica positiva in più che tenderà a far rientrare gli ioni Na+ nella cellula, ma, essendo un processo contro gradiente di concentrazione, saranno tenuti fuori. Questa proprietà viene sfruttata nel trasporto attivo secondario. CICLO CELLULARE Insieme di eventi che si verificano per produrre due cellule figlie a partire da una cellula madre. (Meccanismo che riguarda tutto il mondo biologico) Si possono distinguere quattro momenti importanti della divisione cellulare (comune per eucarioti e procarioti): - Segnale riproduttivo (provenienza esterna o interna) - Duplicazione del DNA - Segregazione (distribuzione del DNA nelle cellule figlie) - Citodieresi (separazione delle cellula figlie) PROCARIOTI  si dividono per SCISSIONE: - Dato un segnale esterno, inizia la duplicazione del DNA all’interno del SITO ORI. - Successivamente il DNA si separa in due parti (sotto il controllo del sito ori). - Infine incomincia a formarsi un solco centrale, in corrispondenza del quale avviene la citodieresi. Le cellule batteriche, se dotate di tutte le sostanze essenziali al loro sostentamento, si duplicano ogni 20 minuti. EUCARIOTI  si dividono per: - MITOSI (avviene in tutte le cellule) - MEIOSI (avviene solo nelle cellule germinali) CICLO CELLULARE: è più complesso viste le dimensioni e la complessità della cellula eucariotica. - INTERFASE: fase preparatoria alla divisione cellulare, in cui intervengono una serie di meccanismi di controllo che bloccano la mitosi nel caso in cui ci sia qualche problema. Le cellule tumorali si replicano più velocemente perché non hanno il processo di controllo. Si divide in 4 FASI (3 + 1):  FASE G1 (gap 1) è la FASE PRINCIPALE DI CRESCITA CELLULARE: La cellula, rispettando il suo normale metabolismo, monitora le dimensioni e l’ambiente esterno, onde verificare che le condizioni siano favorevoli alla duplicazione. Inoltre sintetizza le proteine, i lipidi e i carboidrati necessari. Costituisce la fase più lunga del ciclo cellulare, infatti: - Nelle cellule embrionali dura 10 – 20 minuti. - Nelle cellule adulte di mammifero dura 20 ore. - Nelle cellule epatiche può durare anche un anno.  FASE S è la FASE DI REPLICAZIONE DEL DNA e di SINTESI DELLE PROTEINE CROMOSOMICHE. In questa fase giunge solo un cromatide, da cui si forma quello fratello. I filamenti replicati non sono ancora condensati. Ha una durata che varia dalle 10 alle 12-15 ore.  FASE G2 (gap 2) è la SECONDA FASE DI CRESCITA DELLA CELLULA e di PREPARAZIONE ALLA MITOSI. Vengono sintetizzate tutte le proteine necessarie alla mitosi, si ha la duplicazione dei centrioli e la biogenesi degli organelli. Anche qui i meccanismi di controllo provvedono a verificare se la cellula è pronta per la mitosi. Ha una durata che varia dalle 4 alle 6 ore. I segnali negli eucarioti sono dettati dai fabbisogni delle cellule, che a seconda della loro natura richiedono la duplicazione. Talvolta le cellule passano dalla fase G1 ad una FASE DI PAUSA G0 in cui possono rimanere per giorni, mesi o anni prima di riprendere il ciclo cellulare. In alcuni casi diviene uno stato perenne.  FASE G0 è una FASE DI RIPOSO SPECIALIZZATO. Le cellule entrano in questa fase se riscontrano condizioni non favorevoli per proseguire nel ciclo cellulare. Alcune cellule, come i neuroni o le cellule del muscolo scheletrico, rimangono in modo permanente in G0 fino alla morte dell’organismo: il loro ciclo cellulare risulta quindi bloccato e i relativi geni sono spenti permanentemente. Altre cellule, come le cellule epatiche, sono fisse in G0, ma possono essere stimolate a dividersi se il fegato risulta danneggiato. - FASE M: è la fase in cui avviene la MITOSI. È la più breve, infatti una durata di circa un’ora. È suddiviso in 5 stadi che si susseguono senza pause significative:  PROFASE: I cromosomi si condensano e comincia a formarsi il fuso mitotico: i centrosomi duplicati si allontanano e i microtubuli, sfruttando l’instabilità dinamica, si allungano fino a raggiungere quelli originatosi dall’aster opposto.  PROMETAFASE: L’involucro nucleare si dissolve a seguito della fosforilazione delle lamine. In questa fase i microtubuli si stabilizzano, legandosi a quelli dell’aster opposto grazie alle proteine MAP ad essi associate: microtubuli interpolari. Altri microtubuli, detti del cinetocoro, si legano al complesso proteico da cui prendono il nome, che si forma in presenza del centromero.  METAFASE: I microtubuli del cinetocoro dispongono i cromosomi nella porzione centrale della cellula a formare la piastra equatoriale. La metafase è l’unico momento in cui è possibile osservare i cromosomi. Nelle cellule vegetali il fuso anastrale è privo sia di aster che di centrioli.  ANAFASE: Si ha la segregazione dei cromatidi fratelli, dovuta alla rimozione della coesina (funzionale a tenerli uniti). Successivamente si ha l’accorciamento dei microtubuli del cinetocoro, con conseguente allontanamento dei poli, dovuto allo scivolamento (dineine) reciproco dei microtubuli interpolari.  TELEOFASE: I microtubuli del cinetocoro si disassemblano e abbiamo la rottura del fuso mitotico. A seguito della defosforilazione delle lamine, si formano i due nuclei, dove i cromosomi si decondensano, permettendo i primi processi di trascrizione. Si riformano i nucleoli. - CITOCINESI: (citochinesi o citodieresi) è la fase di DIVISIONE DEL CITOPLASMA. Una volta separato il citoplasma delle cellule figlie, l’actina ricostruisce il cortex cellulare. Y X PORZIONE NON OMOLOGA I cromosomi sessuali, detti anche ETEROCROMOSOMI, sono indicati con X (il più grande) e Y (il più piccolo). Possiedono una porzione omologa e una non omologa, in quanto contribuisce al differenziamento sessuale. MEIOSI La meiosi è molto importante perché SERVE: - a dimezzare il corredo cromosomico (diploideaploide) Meiosi = diminuzione - a garantire che il corredo cromosomico aploide sia corretto - per la variabilità genetica. È CARATTERIZZATA da: - Replicazione del DNA FASE S - Meiosi I  divisione riduzionale separazione dei cromosomi omologhi - Meiosi II  divisione equazionale separazione dei cromatidi fratelli RISULTATO: 4 cellule con corredo cromosomico aploide. Eventi importante della meiosi: FORMAZIONE DELLA TETRADE (o SINAPSI) È il risultato dell’appaiamento dei cromosomi omologhi finalizzato a far corrispondere i geni in vista del crossing over. È possibile grazie alla formazione del COMPLESSO SINAPTINEMALE e alla fusione dei CINETOCORI DEI CROMATIDI FRATELLI. CROSSING OVER (o CHIASMA) Nel complesso sinaptinemale avviene anche lo scambio di materiale genetico: i cromatidi non fratelli dei cromosomi omologhi ricombinano NUOVI CROMOSOMI, rimescolando il DNA parentale. MEIOSI I: PROFASE - Iniziale: i cromosomi cominciano a condensarsi. - Intermedia: si inizia a formare la tetrade. - Tardiva: i cromosomi appaiati incominciano a operare il crossing-over. Scomparsa dell’involucro nucleare. METAFASE I cromosomi omologhi si dispongono sulla piastra metafasica. ANAFASE I cromosomi opposti vengono tirati ai poli opposti della cellula, tramite l’accorciamento dei microtubuli. TELEOFASE Le cellule figlie si dividono. Si riforma l’involucro nucleare, la cromatina si de-condensa. Le cellule figlie possono anche non separarsi. MEIOSI II: PROFASE Condensazione senza replicazione del DNA. METAFASE: I cromosomi si dispongono lungo la piastra metafasica (come durante la mitosi), agganciati dai microtubuli. ANAFASE: I cromatidi vengono tirati ai poli opposti della cellula, sfruttando l’instabilità dinamica. TELEOFASE: Ciascuna delle due cellule si divide, si forma l’involucro nucleare e la cromatina si decondensa. CONFRONTO TRA MITOSI E MEIOSI FASI MITOSI MEIOSI Tipo di cellule Somatiche Germinali Replicazione del DNA Sì Sì Profase I Condensazione cromatina Condensazione della cromatina, complesso sinaptinemale e il crossing-over Metafase I Ogni cromosoma sulla piastra metafasica Ogni coppia di cromosomi omologhi sulla piastra metafasica Anafase (I) I due cromatidi fratelli migrano ai poli della cellula I due cromosomi omologhi migrano ai poli della cellula Telofase (I) Si riforma l’involucro nucleare delle due cellule figlie Si riforma l’involucro nucleare delle due cellule figlie Profase II, Metafase II, Anafase II, Telofase II / Come le fasi della mitosi Prodotti finali Due cellule diploidi Quattro cellule aploidi Variabilità genetica Quasi nulla (replicazione) Molto elevata VARIABILITA’ GENETICA processo CASUALE e SELLETTIVO, in quanto permette di adattarsi meglio all’ambiente. - La prima fonte di variabilità genetica generata dalla meiosi è il crossing-over (profase I), durante il quale i cromosomi omologhi si scambiano del materiale genetico in modo del tutto casuale. Ciò porta alla scomparsa dei cromosomi originali, con conseguente alta variabilità genetica nelle quattro cellule aploidi terminali. - Un’altra fonte di variabilità genetica è l’assortimento indipendente dei cromosomi omologhi (metafase I). Ogni cromosoma omologo può segregare con qualunque altro cromosoma omologo. Considerando che l’uomo ha 23 cromosomi 223 = 8 milioni di gameti maschili/femminili. 246=64 mila miliardi di zigoti possibili - La terza fonte di variabilità genetica è legata alla fecondazione di una cellula uovo da parte di qualunque spermatozoo. - Un’altra fonte di variabilità genetica sono gli errori di replicazione del DNA. Si verificano delle differenze tra cromatidi fratelli circa ogni 109 nucleotidi, dunque ci sono circa 3 nucleotidi differenti tra tutti i cromosomi fratelli. Dato che gli esseri umani sono solo 6 miliardi, trovare due esseri umani identici è estremamente improbabile. ERRORI DELLA MEIOSI - ABERRAZIONI CROMOSOMICHE Modificazioni dei cromosomi, causate principalmente dal crossing over, che nella maggior parte dei casi porta a gravissimi difetti dell’embrione o all’aborto. Delezione: perdita di un tratto di cromosoma e dei geni che portava. (dopo la fecondazione, l’individuo è aploide per quella serie di geni). Duplicazione: una serie di geni viene ripetuta due volte. (dopo la fecondazione, l’individuo ha 3 copie di quei geni). Inversione L’individuo può nascere sano, ma sterile, in quanto durante Inserzione la meiosi delle sue cellule, i cromosomi omologhi non possono Traslocazione appaiarsi correttamente - ANEUPLOIDIE  Variazioni del numero di cromosomi, causate principalmente dal fenomeno della non-disgiunzione, che porta a gameti con un cromosoma in più. Gli individui aneuploidi sono sterili perché i cromosomi non riescono ad appaiarsi correttamente all’omologo durante le prime fasi della meiosi. La frequenza di aneuploidie è molto alta, infatti si calcola che all’incirca due gravidanze su dieci abbiano termine molto precocemente a causa di aneuploidie o di altre malattie genetiche. Le più comuni sono:  MONOSOMIE (uno in meno).  TRISOMIE (uno in più). Se la mancata disgiunzione avviene durante la meiosi II avremo due cellule normali, una monosomica e una trisomica. Se la mancata disgiunzione avviene durante Questa è particolarmente pericolosa perché qualsiasi la meiosi I, la meiosi II produrrà due cellule cellula prodotta, se fecondata, sarà problematica per monosomiche e due cellule trisomiche. il nuovo individuo. Per quel che riguarda gli autosomi, nella specie umana nessuna monosomia permette lo sviluppo dell’embrione, infatti in questa condizione molti geni recessivi letali manifestano la loro azione. DEFINIZIONI: - Il FENOTIPO: ciò che appare, si manifesta in un individuo, per quanto concerne un dato carattere - Il GENOTIPO: si riferisce al gene che determina il fenotipo. - OMOZIGOTE: individuo che possiede due alleli identici per un determinato carattere. - ETEROZIGOTE: individuo che possiede due alleli diversi per un determinato carattere. La combinazione dei diversi alleli che deriva da un incrocio può essere tracciata mediante il QUADRATO DI PUNNETT: si tratta di una griglia quadrata che permette di fare previsioni probabilistiche sulle combinazioni tra i vari caratteri. Permette anche di stabilire come si trasmettono le malattie genetiche. Talvolta dei geni restano silenti per molto tempo poi il gamete viene fecondato e si ha la malattia. A sinistra si mettono i caratteri maschili a destra quelli femminili. S = carattere dominante giallo. s = carattere recessivo verde. Il carattere recessivo viene sempre superato da quello dominante, ecco perché nella prima generazione non c’è il carattere recessivo. PRIMA LEGGE DI MENDEL o LEGGE DELLA SEGREGAZIONE DEI CARATTERI: Durante la formazione dei gameti i due alleli segregano (si separano) finendo ciascuno in un gamete diverso. Concetti fondamentali della prima legge di Mendel. 1. Alleli differenti sono responsabili delle diverse versioni di un carattere ereditario 2. Un organismo eredita un allele da ciascun genitore 3. Se i due alleli non sono identici uno sarà dominante ed uno recessivo 4. I due alleli si separano (segregano) al momento della formazione dei gameti Oggi sappiamo che i due alleli di uno stesso gene si trovano (nello stesso punto della molecola di DNA, stesso locus) sui due cromosomi omologhi e che la segregazione degli alleli avviene durante la meiosi. Mendel volle verificare la sua ipotesi con il TEST CROSS o REINCROCIO: Consiste nell’incrociare un omozigote recessivo con un genotipo sconosciuto per determinare se l’organismo di fenotipo dominante è omozigote o eterozigote. - Se la pianta da esaminare è omozigote tutta la progenie manifesta il fenotipo dominante. - Se la pianta da esaminare è eterozigote metà dei semi ottenuti dall’incrocio sono rugosi, l’altra metà sono lisci. SECONDA LEGGE DI MENDEL o LEGGE DELL’INDIPENDENZA Gli alleli appartenenti a geni differenti segregano indipendentemente al momento della formazione dei gameti e pertanto sono ereditati indipendentemente uno dall’altro. Mendel trasse questa legge dopo aver incrociato piante con CARATTERI DOMINANTI (giallo/liscio) con piante con CARATTERI RECESSIVI (verde/rugoso): F1: mostravano tutte i caratteri dominanti. F2: mostravano 4 fenotipi, di cui due ricombinati: - 9 gialli lisci - 3 gialli rugosi - 3 verdi lisci - 1 verde rugoso F1 s s S Ss Ss S Ss Ss F2 S s S SS Ss s Ss ss Produce un fenotipo intermedio a metà tra il dominante e il recessivo. Es. Rosso + bianco = rosa ES Per quanto concerne le trasfusioni il ricevente NON deve avere anticorpi rivolti contro i globuli rossi del donatore. La legge dell’indipendenza dei caratteri non è sempre vera: Se i geni che controllano due caratteri si trovano vicini sullo stesso cromosoma, tenderanno ad essere ereditati in modo associato. Questo non era accaduto negli esperimenti di Mendel perché ognuno dei sette caratteri era su un differente cromosoma. Più vicini sono tra loro 2 geni, maggiore sarà la probabilità che vengano ereditati insieme Gli alleli INTERAGISCONO tra loro. - Nuovi alleli si originano per mutazione - La DOMINANZA è spesso INCOMPLETA Mendel aveva a che fare con linee pure, ma in natura ci sono piante con dominanza incompleta. - Molti geni hanno alleli multipli. - Alcuni alleli producono effetti fenotipici multipli. - Talvolta si verifica la CODOMINANZA. Entrambi gli alleli specificano per una proteina funzionante e il fenotipo dell’eterozigote non è intermedio ma mostra entrambi i tratti. Es. GRUPPI SANGUIGNI: AB0 Nel 1900 Landsteiner mescolando sangue proveniente da diversi individui notò che solo alcune combinazioni di sangue erano compatibili; in tutti gli altri casi i globuli rossi provenienti da un individuo formavano grumi se mescolati al siero di altri individui. I grumi (agglutinazione) sono dovuti alla reazione antigene/anticorpo: I globuli rossi umani contengono due antigeni, che indicò con A e B: - Gruppo A  antigene A  anticorpo B - Gruppo B  antigene B  anticorpo A - Gruppo AB  antigene A e B  nessun anticorpo - Gruppo 0  nessun antigene  anticorpi A e B Derivano dalle diverse combinazioni di alleli multipli di un solo gene, indicato con il simbolo I. Gli alleli IA e IB sono entrambi dominanti, ecco perché si verifica la CODOMINANZA. OVOGENESI CONTROLLI DEL CICLO DI OVULAZIONE: - CONTROLLO ORMONALE All’inizio pubertà le cellule follicolari secernono l’ESTRADIOLO, importante ormone sessuale femminile, la cui secrezione porta al MENARCA: l’inizio del ciclo mestruale. Elementi centrali di controllo sono le GONADOTROPINE. Alla pubertà l’IPOTALAMO aumenta il rilascio delle gonadotropine e stimola l’IPOFISI a produrre l’ORMONE FOLLICOLO STIMOLANTE (FSH) e l’ORMONE LUTEINIZZANTE (LH). La secrezione di FSH e LH fa proliferare il tessuto ovarico e determina la secrezione di ESTROGENI, con conseguente sviluppo dei caratteri sessuali secondari della donna. CONTROLLO POSITIVO E NEGATIVO I livelli di estrogeni e progesterone regolano il ciclo di ovulazione attraverso un MECCANISMO DI FEEDBACK. - Il feedback di controllo è POSITIVO quando i livelli di estrogene e progesterone sono alti. Ciò stimola l’ipotalamo e l’ipofisi a produrre più ormoni (tra il 12° e il 14° giorno). - Il feedback di controllo è NEGATIVO quando i livelli di estrogeni e progesterone si abbassano per inibire la produzione di ormoni. Se si è verificata la fecondazione, la blastocisti arriva all’utero e si impianta nell’endometrio, con conseguente produzione di hGC, GONADOTROPINA CORIONICA UMANA. Questo ormone viene usato nei test di gravidanza, in quanto stimola il corpo luteo a continuare a produrre estrogeni. - CONTROLLO UTERINO (accompagna quello ovarico) Il ciclo uterino consiste nell’INSPESSIMENTO e eventuale SFALDAMENTO DELL’ENDOMETRIO. - Durante il 5° giorno del ciclo ovarico l’endometrio si prepara a ricevere la blastocisti (ovulo fecondato) e cresce (rimane per circa 9 giorni). - Se non arriva la blastocisti l’endometrio incomincia a sfaldarsi e il tessuto compresa la ricca componente sanguigna vengono eliminati con il processo della mestruazione. Nella maggior parte dei mammiferi non si ha la mestruazione poiché il tessuto uterino degenerato viene riassorbito. SPERMATOZOO Cellula molto allungata costituita da: - una testa Può avere varie forme a seconda delle specie (appiattita, appuntita, uncinata o spiralizzata) La sua massa è occupata da: - il nucleo aploide (per la maggior parte): contiene un DNA fortemente addensato, inattivo e privo di istoni (sostituiti dalle protammine, più basiche). - la vescicola acrosomiale: ricca di enzimi idrolitici per all’attraversamento della cellula uovo. - una regione intermedia ricchissima di mitocondri modificati (formano una specie di guaina), poiché servono a produrre energia, essenziale per raggiungere la cellula uovo nell’ovidotto. Il segmento intermedio contiene anche uno o due centrioli, da uno solo dei quali, chiamato corpo basale, si dipartono i microtubuli della coda. - una coda Nella coda i microtubuli assumono il tipico sistema 9 + 2 dei flagelli. (2 singoli al centro e 9 doppi in circolo). SPERMATOGENESI DIFFERENZA MEIOSI NELLA SPERMATOGENESI E OVOGENESI Maschio  Meiosi I e II  4 spermatidi aploidi. Femmina  Meiosi I e II  1 cellula uovo e 2 globuli polari che degenerano. EMBRIOGENESI La vita inizia con la fecondazione. L’unione del gamete maschile con quello femminile porta alla formazione dello zigote. L’uovo fecondato, durante il suo sviluppo, si trasforma in un organismo completo. Lo sviluppo è diretto dalle informazioni presenti: - nel NUCLEO: i geni del DNA parentale vengono attivati e disattivati in modo ordinato. - nel CITOPLASMA: sotto forma di mRNA e proteine, detti determinanti citoplasmatici. Quasi tutte le informazioni citoplasmatiche sono di origine materna, in quanto la madre riceve solo il nucleo dal padre. Le prime fasi dello sviluppo sono MOLTO INFLUENZATE dai determinanti citoplasmatici e da una serie di sostanze nutritive, come zuccheri, lipidi, etc., contenute nel sacco vitellino che circonda la cellula uovo. Il suo contenuto può essere distribuito in modo uniforme o non uniforme. Nel secondo caso si dice che l’uovo maturo possiede una POLARITA’, che è caratterizzata da: - POLO ANIMALE: darà origine a strutture superficiali e all’estremità anteriore dell’embrione. - POLO VEGETATIVO: darà origine alle strutture interne e all’estremità posteriore dell’embrione. La polarità determina i 3 ASSI DEL CORPO A SIMMETRIA BILATERALE degli animali: - Asse antero/posteriore - Asse dorso/ventrale (retro-frontale) - Asse sinistra/destra FASI DELLO SVILUPPO - SEGMENTAZIONE Rapida serie di mitosi e replicazioni del DNA, senza che le cellule aumentino di volume cellulare. Le nuove cellule si chiamano BLASTOMERI  blastos: gemma; meros: divisione. Nei mammiferi placentati la segmentazione si svolge in modo ROTAZIONALE:  La prima divisione è parallela all’asse animale-vegetativo e produce due blastomeri.  Le divisioni successive avvengono ad angolo retto una rispetto all’altra: un blastomero si divide parallelamente all’asse dell’uovo, l’altro perpendicolarmente. Le divisioni di segmentazione portano a 3 STADI DI SVILUPPO:  MORULA: massa di blastomeri sempre più piccoli. Così chiamata perché sembra una piccola mora.  BLASTULA: Con il procedere delle divisioni di segmentazione la sfera si invagina. Al suo interno viene pompato Na+ e richiamata acqua per osmosi. I blastomeri formano una cavità piena di liquido al centro dell’embrione detta blastocele. Lo strato di rivestimento esterno è detto trofoblasto. Lo stadio embrionale è detto blastula.  GASTRULA: è il risultato della migrazione, divisione e riorganizzazione delle cellule componenti la blastula. - GASTRULAZIONE: Definisce lo schema corporeo, in quanto comporta la formazione dell’embrione pluristratificato, cioè la formazione degli strati di cellule da cui si origineranno i vari organi. I foglietti embrionali sono: - ECTODERMA: strato più esterno - MESODERMA: strato intermedio - ENDODERMA: strato più interno I movimenti cellulari formano una nuova cavità dell’embrione, chiamato ARCHENTERON, intestino primitivo, alla cui estremità presenta un’apertura chiamata BLASTOPORO, che diventerà la bocca o l’ano (a seconda della specie animale) dell’organismo in formazione. - ORGANOGENESI: È il processo che porta alla formazione degli organi e dei sistemi di organi a partire dall’interazione fra strati germinativi. Nei vertebrati il sistema nervoso è il primo ad originarsi dall’ectoderma, attraverso un processo chiamato NERULAZIONE. Le cellule del mesoderma formano un asse solido di tessuto, la notocorda, le cui cellule si addensano e si appiattiscono per formare la placca (o pistra) neuronale. Questo movimento induce l’ectoderma a inspessirsi e a formare due creste parallele, dalla cui confluenza e chiusura si forma il tubo neuronale, da cui si forma il sistema nervoso. Se le creste neuronali non si uniscono e quindi non si ha la chiusura del tubo neuronale fino alle prime settimane dal concepimento, si è soggetti ad una gravissima malformazione del sistema nervoso detta MIELOMENINGOCELE o più comunemente SPINA BIFICA. Nei casi più gravi il midollo spinale fuoriesce per alcuni centimetri dalla colonna vertebrale. Ciò provoca la lesione del midollo spinale e delle terminazioni nervose collegate che saranno all’origine dei difetti di innervazione agli arti inferiori ed all’apparato urinario. Già nelle prime ore di vita è necessario un intervento chirurgico per chiudere il canale meningeo e riporre il tessuto nervoso, al fine di ridurre i rischi di infezioni e salvare le funzionalità residue del midollo spinale. Formato il tubo neuronale, altre strutture si differenziano nell’embrione. Le cellule della cresta neuronale migrano per diventare numerosi tipi diversi di cellule. Si sviluppano: - I nervi cranici della testa - le ossa dell’orecchio interno e del cranio - la cartilagine - le strutture del viso e dei denti BLASTULA DI RANA Su entrambi i lati della notocorda, il mesoderma si separa in blocchi di cellule chiamate SOMITI, disposti uno dopo l’altro lungo entrambi i lati della notocorda. Questi danno origine: - alla colonna vertebrale. - alle costole e ai muscoli ad esse connessi. - al canale digerente primitivo. Man mano che lo sviluppo procede, i diversi segmenti del corpo cambiano La migrazione tiene sempre conto della specializzazione dei tre foglietti. MEMBRANE EXTRAEMBRIONALI Contemporaneamente allo sviluppo dell’embrione, si formano delle membrane esterne che lo ricoprono, funzionali al nutrimento, allo scambio gassoso, all’eliminazione delle sostanze di rifiuto. Queste sono: - Sacco vitellino: contiene materiale nutritivo. - Corion e amnios: contengono l’embrione. Il fluido secreto dall’amnios ricopre tutta la cavità amniotica. - Allantoide: insieme al corion regola gli scambi gassosi e raccoglie i cataboliti dell’embrione. Nei mammiferi queste membrane interagiscono con i tessuti della madre a formare la PLACENTA. Queste strutture sono importanti dal punto di vista diagnostico: - Amniocentesi: si prende un po’ di liquido amniotico, nel quale sono presenti le cellule dell’embrione e si esaminano. Le cellule vengono messe in coltura e vengono bloccate in metafase (momento in cui è possibile vedere i cromosomi). A questo punto vengono utilizzate per analisi biochimiche e genetiche. L’amniocentesi non viene fatta prima della 14 settimana di gravidanza. Richiede un paio di settimane - Esame dei villi corionici: si preleva un piccolo campione di tessuto superficiale del corion. Ha le stesse funzionalità dell’amniocentesi con il vantaggio di essere molto più veloce, in quanto si può effettuare già all’VIII settimana e i risultati sono disponibili in pochi giorni. GESTAZIONE O GRAVIDANZA: È molto importante l’interazione dell’embrione con i farmaci, sostanze chimiche, patogeni. Negli anni 50 si assumeva il tolidomide per eliminare le nausee. Si è notato che i nati presentavano gravissime malformazioni, che, interrotto l’uso del farmaco, scomparvero. SVILUPPO DELL’EMBRIONE UMANO: Nei mammiferi placentari l’embrione si sviluppa nell’utero materno. Viene a crearsi una connessione tra l’apparato circolatorio materno quello dell’embrione, attraverso il cordone ombelicale. Talvolta è possibile generare i GEMELLI: - ETEROZIGOTI: Si hanno quando due cellule uovo vengono fecondate due spermatozoi. - OMOZIGOTI: Si ottengono quando durante la segmentazione o durante le fasi iniziali della blastula, i blastomeri si separano in due gruppi e formano due embrioni completi. - SIAMESI: Slittamento parziale della massa cellulare interna TIPI DI CELLULE STAMINALI: - EMBRIONALI – PLURIPOTENTI Si trovano nell’embrione (allo stato di blastocisti), da cui possono essere estratte, coltivate e specializzate in laboratorio (sebbene ciò risulti piuttosto complesso). Sono molto utili per la riparazione di tessuti e organi danneggiati, oppure per curare malattie che, come il diabete, il Parkinson, la sclerosi, l’infarto, non possono essere curate dal punto di vista farmacologico. Tuttavia non è possibile utilizzarle, in quanto comportano la perdita dell’embrione (problemi etici) e possono diventare cancerose. - ADULTE – MULTIPOTENTI (alcune sono unipotenti) Sono presenti in molti tessuti (non è chiaro se esistono in tutti) e sono funzionali alla loro riparazione e rigenerazione. Rispetto alle cellule staminali embrionali, queste possono essere estratte senza provocare la distruzione dell’organismo, successivamente possono essere modificate e reimpiantate nella stessa persona. Alcune di queste sono già impiegate nella sperimentazione e nella cura di alcune malattie, come leucemie, linfomi, danni cornea. - FETALI – MULTIPOTENTI Vengono estratte dal feto (di aborti spontanei o volontari) o dal liquido amniotico durante il periodo di sviluppo che va dalla decima settimana di gestazione fino alla nascita. Hanno essenzialmente le proprietà delle cellule staminali adulte, cioè sono parzialmente specializzate e possono generare solo pochi tipi cellulari. Tuttavia, essendo derivate da un organismo più giovane, sono dotate di maggiori capacità di moltiplicarsi e attecchire. - DEL CORDONE OMBELICALE – MULTIPOTENTI DEL SANGUE Sono presenti nel sangue del cordone ombelicale e sono in grado di generare tutte le cellule e gli altri elementi del sangue. Rispetto alle cellule staminali del sangue provenienti da un individuo adulto, queste, essendo più giovani, sono molto più efficienti nella produzione del sangue e sono molto più neutre dal punto di vista immunitario, infatti in caso di trapianto è più difficile che si verifichi una reazione di rigetto. Tuttavia il loro uso è piuttosto limitato, poiché la loro quantità è relativamente scarsa. - INDOTTE (iPS) – PLURIPOTENTI Sono delle cellule staminali embrionali artificiali in grado di formare tutti gli organi e i tessuti umani. Vengono prodotte in laboratorio a partire da cellule di diversa natura, che subiscono un processo di riprogrammazione. Le cellule vengono messe a contatto con un virus portante i geni di proteine di regolazione dello stadio embrionale che, infettandole, le rende embrionali e quindi più efficienti. Le iPS sono considerate una scoperta rivoluzionaria per la ricerca, infatti si pensa che in futuro sarà possibile utilizzarle per riparare danni a carico del cuore, del midollo spinale, di malattie ereditarie e acquisite che colpiscono le funzionalità del sistema nervoso o muscolare, etc. Le iPS inoltre, essendo estratte direttamente dal paziente, non presentano il problema del rigetto da parte del sistema immunitario del paziente. Nonostante ciò presentano degli svantaggi rispetto alle cellule staminali embrionali, in quanto presentano la tendenza a diventare cancerose e necessitano di vettori virali per il processo di riprogrammazione. EVOLUZIONE Processo di cambiamento delle caratteristiche genetiche delle popolazioni di organismi in risposta alle variazioni ambientali (adattamento alle condizioni ambientali). CULTURA EBRAICO-CRISTIANA: La versione della creazione descritta nel Vecchio Testamento rafforzò l’idea che le specie fossero state create singolarmente e non soggette a processi evolutivi. ARISTOTELE (384-322 a.C.): Riconobbe delle affinità tra gli esseri viventi e li classificò dai più semplici ai più complessi. Immaginava che gli organismi avessero un movimento verso la perfezione. LECLERC DE BUFFON (1707-1788): I mammiferi derivano da un antenato comune da cui poi si sono differenziati. CUVIER (1768-1832): Paleontologia (la storia della vita si rispecchia negli strati rocciosi contenenti fossili). HUTTON (1726-1792): Gradualismo (cambiamenti profondi derivano dalla somma di processi piccoli continui). LAMARK (1744-1829): Ereditarietà dei caratteri acquisiti (uso/non uso di certe strutture corporee). DARWINISMO  Charles Darwin (1809 – 1882) PREMESSE: 1. VIAGGIO A BORDO DEL BRIGANTINO BEAGLE (1831 – 1836) Questo viaggio aiutò Darwin per spiegare come una popolazione di organismi cambia con il passare del tempo. In particolare, durante la permanenza presso le isole Galapagos, notò che i rispettivi animali erano piuttosto simili a quelli del Sud America. 2. PRINCIPLES OF GEOLOGY DI CHARLES LYELL (1850) Questo libro, che Darwin lesse durante il viaggio intorno al mondo, dimostrava come la terra fosse molto più antica di quanto ritenuto in precedenza, così da permettere una evoluzione lunga e lenta. 3. SELEZIONE ARTIFICAILE DI PIANTE E ANIMALI Per selezione artificiale si intende la scelta di esemplari animali o vegetali (dotati di determinate caratteristiche) per farli riprodurre in modo controllato e ottenere un’accentuazione delle loro peculiarità in base alle esigenze dell'uomo. 4. IDEE DI THOMAS MALTHUS (1798) Secondo questo economista le popolazioni hanno uno sviluppo demografico maggiore delle risorse disponibili, motivo per cui entrano in contrasto tra loro. 5. IDEE DI ALFRED WALLACE Giunse indipendentemente alle stesse conclusioni di Darwin. TEORIA: ORIGINE DELLE SPECIE MEDIANTE SELEZIONE NATURALE (1859) Il meccanismo evolutivo lento ed imperfetto avviene attraverso due fasi: - la VARIAZIONE: Per variazione si intende la conseguenza delle mutazioni e ricombinazioni geniche. Questa è casuale sia in direzioni vantaggiose che svantaggiose per l’evoluzione. - la SELEZIONE NATURALE: La selezione naturale si concretizza nell’adattamento all’ambiente, che dipende sia dalle modificazioni genetiche ereditabili, che dalla competizione per le risorse visto che la popolazione è superiore a quella che l’ambiente può sostenere. La selezione naturale è una necessità, infatti sopravvive soltanto la prole con i caratteri più vantaggiosi (e non necessariamente quella con i migliori). PROVE A FAVORE DELL’EVOLUZIONE - REPERTI FOSSILI: Permettono di evidenziare le forme intermedie (fossili di transizione) nell’evoluzione di alcuni organismi e di dimostrare l’esistenza di specie estinte (non concepibili secondo il creazionismo tradizionale). - ANATOMIA COMPARATA: Permette di evidenziare la somiglianza tra alcune strutture anatomiche degli organismi, che possono essere:  OMOLOGHE: quando le strutture di due specie diverse presentano una derivazione (antenato) comune.  ANALOGHE: strutture con la stessa funzione a prescindere dalla loro omologia.  VESTIGIALI: organi o parti di organi non più funzionanti e mancanti. - BIOGEOGRAFIA (distribuzione geografi degli organismi viventi): A causa dell’isolamento geografico le specie non sono uniformemente distribuite come si sarebbe dovuto verificare con la creazione. - BIOLOGIA MOLECOLARE – CONFRONTO MOLECOLARE: La biologia molecolare, confrontando i meccanismi molecolari alla base della fisiologia degli esseri viventi, ha raccolto numerose prove a favore dell’evoluzione. (Es. universalità del codice genetico). Darwin pubblicò l’Origine della specie 20 anni dopo il viaggio alle Galapagos. Nella prima edizione dell’opera non usò mai il termine evoluzione, se non nell’ultimo paragrafo, ma parlò di DISCENDENTI CON MODIFICAZIONI. Soltanto dopo un decennio il libro convinse la maggior parte dei biologi che la BIODIVERSITA’ E’ IL RISULTATO DELL’EVOLUZIONE. Tuttavia la sua teoria non ottenne molto successo perché non fu in grado di dimostrare i MECCANISMI DI TRASMISSIONE DEI CARATTERI su cui si basa la SELEZIONE NATURALE. TEORIA SINTETICA DELL’EVOLUZIONE È stata sviluppata in seguito alle teorie di Darwin, unendole alle scoperte della genetica sulla trasmissione dei caratteri ereditari e sulle mutazioni del DNA come origine delle variazioni tra gli individui. HARDY WEINBER dedusse le condizioni necessarie perché la struttura genetica di una popolazione si mantenga invariata nel tempo: EQUILIBRIO GENICO. Una popolazione che non mostra cambiamenti nelle frequenze alleliche e genotipiche per un dato locus è in equilibrio genico e pertanto non sta andando verso cambiamenti evolutivi. Le condizioni che devono essere soddisfatte affinché una popolazione si trovi all’equilibrio di H-W sono le seguenti: - INCROCIO CASUALE: Gli accoppiamenti devono essere casuali, senza preferenze verso particolari genotipi. - POPOLAZIONE INFINITA: La popolazione deve essere di grandi dimensioni. Più grande è la popolazione, minore è l’effetto delle eventuali fluttuazioni casuali delle frequenze alleliche. - FLUSSO GENICO ASSENTE: Non devono verificarsi fenomeni di immigrazione o di emigrazione. - MUTAZIONI ASSENTI: Gli alleli non si trasformano uno nell’altro né possono comparirne di nuovi. - NO SELEZIONE NATURALE: La selezione naturale influenza la sopravvivenza di particolari genotipi a discapito di altri. - FORMAZIONE DELLA LAMELLA MEDIANA Si forma per prima al momento della divisione cellulare. Durante l’ANAFASE si ha la formazione di un FRAGMOPLASTO, un insieme di microtubuli che si aggiungono a quelli del fuso mitotico, le cui FUNZIONI sono: - orientare e dirigere le vescicole provenienti dal Golgi. - controllare la formazione del setto di divisione. Le vescicole, fondendosi tra loro, formano la lamella mediana che, costituita da PROPECTINE e PECTINE, funge da cementante, tenendo unite le due cellule figlie. - FORMAZIONE DELLA PARETE PRIMARIA Si forma contemporaneamente alla formazione della lamella mediana durante la FASE DI DISTENSIONE CELLULARE. È elastica e sottile, in quanto si adatta all’aumento delle dimensioni della cellula. Per questo motivo nella sua COMPOSIZIONE prevale la MATRICE a discapito del SISTEMA FIBRILLARE, il quale presenta una tessitura dispersa e, in base al tipo di pianta, è costituito da:  Piante superiori: CELLULOSA  Funghi: CHITINA  Lieviti: POLIGLUCANI - FORMAZIONE DELLA PARETE SECONDARIA Si forma successivamente alla genesi della parete primaria, rispetto alla quale si configura molto più spessa e resistente (piante legnose). Dato l’accrescimento centripeto, si verifica una notevole riduzione del volume cellulare. Per questo motivo nella sua COMPOSIZIONE sulla MATRICE prevale il SISTEMA FIBRILLARE, costituito da CELLULOSA in fibrille disposte parallelamente in diversi orientamenti. Non tutte le piante hanno la parete secondaria, la sua presenza è il risultato dell’ADATTAMENTO ALL’AMBIENTE, perciò sono soggette ad ulteriori MODIFICAZIONI, utili per il trasporto dell’acqua, per il sostegno della pianta e per la protezione all’evaporazione:  LIGNIFICAZIONE  MINERALIZZAZIONE  PIGMENTAZIONE  SUBERIFICAZIONE  CUTINIZZAZIONE  CERIFICAZIONE  GELIFICAZIONE La parete cellulare è importante dal punto di vista farmaceutico. La CELLULOSA, ad esempio, è usata per fare ovatta per assorbenti, garze, tamponi chirurgici. Dall’ACIDO ALGINICO si ottengono emulsionanti, eccipienti e agglomeranti, dagli ESSUDATI GOMMOSI come emulsionanti e lassativi, usati per confezionare pillole. I MUCILLAGINI trovano impiego come antidiarroici, lassativi, lenitivi, decongestionanti e anticatarrali. Polisaccaride la cui unità fondamentale è costituita dal CELLOBIOSIO, dimero di β- glucosio unito con legame glucosidico (1-4). È sintetizzata dal complesso enzimatico celluloso-sintetasi. Conferisce elasticità e resistenza alla torsione, compressione, trazione e flessione. Sono determinate da: Incrostazione: infiltrazione di materiali tra gli spazi interfibrillari delle molecole di cellulosa. Apposizione: sulla parete di materiali che ne aumentano l’impermeabilizzazione. - PLASMODESMI Specifiche connessioni intercellulari: PONTI CITOPLASMATICI delimitati dalla membrana plasmatica e rivestiti da PLASMALEMMA. Si formano durante la divisione cellulare, durante la quale TUBULI DI RETICOLO ENDOPLASMATICO (DESMOTUBULI) vengono intrappolati nella piastra cellulare in via di formazione. Attraverso i plasmodesmi passano molecole fino a massimo 1000Da (ioni, acqua, molecole piccole). Una particolarità dei plasmodesmi sono le PUNTEGGIATURE: si tratta di piccole aree della parete primaria che non vengono coperte dalla parete secondaria, per cui rimangono non inspessite. Con l’apposizione di più strati della parete secondaria le punteggiature assumono l’aspetto di canalicoli, detti POROCANALI. - PLASTIDI Organuli specifici delle cellule vegetali. Similmente ai mitocondri sono costituiti da:  MEMBRANA ESTERNA: semi-permeabile.  MEMBRANA INTERNA: impermeabile (proteine di trasporto).  STROMA O MATRICE: fluido contenente vari metaboliti, ioni, proteine, ribosomi, DNA, lipidi. Il DNA è circolare e di tipo procariotico. Contiene circa 130.000 / 150.000 paia di basi. DNA mitocondriale costituisce 1/10. I plastidi derivano sempre da plastidi preesistenti, PROPLASTIDI. Si dividono insieme alle cellule, differenziandosi in base al colore, funzione, contenuto dello stroma, tessuto in cui si trovano, in:  CLOROPLASTI I proplastidi se esposti alla luce solare si differenziano in cloroplasti e assumono la colorazione verde, dovuta alla presenza della CLOROFILLA, pigmento responsabile della fotosintesi. All’interno dello stroma ci sono i GRANA, pile di vescicole chiamate TILACOIDI, il cui LUMEN, risulta fondamentale durante il processo fotosintetico, in quanto permette di accumulare intermedi e ioni.  LEUCOPLASTI Hanno una funzione di riserva, infatti il loro sistema membranoso è ridotto rispetto allo stroma, ricco di sostanze fondamentali per la pianta. Sono INCOLORI, in quanto non esposti alla luce perché presenti nei tessuti di riserva, come radici, frutti e semi. In base al contenuto si distinguono: o AMILOPLASTI: accumulano amido primario e secondario. Il primo viene accumulato nei cloroplasti durante il giorno e convertito durante la notte in SACCAROSIO, zucchero solubile. Successivamente viene trasportato nei tessuti di riserva, dove viene convertito in AMIDO SECONDARIO e depositato negli amiloplasti sotto forma di GRANULI. Questi hanno una forma diversa a seconda della pianta. Si dispongono in strati concentrici attorno al CENTRO PROTEICO ILO. Possono essere semplici o composti, motivo per il quale sono utilizzati nel riconoscimento delle sofisticazioni alimentari delle farine. L’amido è composto da due polimeri dell’α-glucosio: - AMILOSIO  polimero lineare elicoidale. - AMILOPECTINA  polimero ramificato. o ELAIOPLASTI: accumulano lipidi, possono contenere una goccia di olio (Es. di semi di girasole, di ricino). o PROTOPLASTI: accumulano proteine. A questa categoria appartengono gli STATOLITI, siti nelle radici, fanno percepire alla pianta lo STIMOLO GRAVITROPICO (fa sì che le radici crescano verso il basso). Bistratificate La maggior parte delle proteine presenti nei plastidi sono di origine nucleare.  CROMOPLASTI Sono presenti in fiori, frutti in maturazione, foglie senescenti e radici, a cui conferiscono colore, grazie all’abbondante presenza di pigmenti, chiamati CAROTENOIDI o XANTOFILLE, che li colorano di GIALLO, ROSSO o ARANCIONE. Questi non sono fotosintetici, infatti non presentano grana. Sono dotati di un esteso SISTEMA DI MEMBRANE, a cui sono associati i pigmenti; talvolta questi sono presenti nello STROMA sotto forma di cristalli, corpi filamentosi, goccioline. Talvolta i cloroplasti non derivano direttamente dai plastidi, ma possono rappresentare la fase senescente dei cloroplasti, caso in cui, solo a seguito della degradazione della clorofilla, la foglie assume la tipica colorazione dettata dai cromoplasti. A questo punto non sono più convertibili. Nel corso dello sviluppo della pianta sono frequenti le INTERCONVERSIONI DI UN TIPO PLASTIDIALE IN UN ALTRO. - CITOSCHELETRODALL’ARCHITETTURA E DINAMICA PARTICOLARI - VACUOLI Grosse vescicole delimitate da una singola membrana semipermeabile di natura lipoproteica, detta TOTOPLASTO. Nelle cellule adulte può occupare anche più del 90% del volume cellulare, motivo per cui le cellule vegetali sono più grandi di quelle animali. Nelle cellule meristematiche (staminali vegetali) sono presenti piccoli e numerosi vacuoli che confluiscono in un unico vacuolo dopo il differenziamento. Funzioni:  METABOLICHE: accumulo di sostanze, interazione con l’ambiente esterno, manipolazione (contengono tutte le sostanze che vengono utilizzate nel campo farmaceutico).  MECCANICHE: turgore cellulare, compressione del citoplasma contro la parete, dovuta alla grande quantità di acqua assorbita dalla pianta. I vacuoli presentano delle affinità con i LISOSOMI: Il succo vacuolare, così come il contenuto dei lisosomi, è una soluzione con pH ACIDO (3-5) contenente ioni, piccole molecole organiche e enzimi litici capaci di idrolizzare proteine, lipidi e acidi nucleici. I vacuoli contengono anche METABOLITI SECONDARI: Composti chimici non essenziali per la vita della pianta. Funzioni:  DIFESA da predatori o agenti patogeni.  PROTEZIONE DA EFFETTI FISICI come il freddo e l’evaporazione.  ATTRAZIONE E STIMOLAZIONE: Impollinazione, disseminazione, accumulo, fissazione N2.  COMPETIZIONE con altre piante. ALLELOPATIA: mutua influenza tra piante attraverso la secrezione di particolari sostanze. Es. NOCE E POMODORO: Le piante di pomodoro si ammalano e muoiono se piantate nelle vicinanze di un albero di noce, in quanto questo secerne una potente tossina, una molecola glicosilata che viene immessa nel suolo tramite le radici dopo essere stata idrolizzata e ossidata. L’attributo “secondari” indica che sono prodotti del metabolismo primario: FOTOSINTESI METABOLISMO DEL CARBONIO METABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI METABOLISMO DELL’AZOTO Es. Chinoni, Tannini. Es. Terpeni, Alcaloidi. Es. Glucosinolati, Alcaloidi. - SISTEMA VASCOLARE – SISTEMA IDRAULICO È formato da tessuti complessi. Conduce acqua e sostanze nutritive attraverso tutta la pianta. È costituito da: 1. XILEMA Principale tessuto di conduzione dell’acqua e dei minerali assorbiti. Si distinguono: a. TRACHEIDI: costituite da cellule morte dalle pareti secondarie inspessite. Sono chiuse alle estremità, tuttavia il passaggio dell’acqua tra le cellule è consentito dalle perforazioni. b. ELEMENTI DEI VASI: lunghi tubi costituiti da cellule morte dalle pareti secondarie fortemente inspessite. Si tratta di cellule allungate con apertura ad entrambe le estremità. 2. FLOEMA Conduce lungo la pianta i prodotti della fotosintesi. È composto da: - ELEMENTI DEI TUBI CRIBROSI: tubi larghi e cilindrici, simili agli elementi dei vasi. Tuttavia, a differenza loro, non hanno delle grosse aperture alle estremità, ma piccoli fori, attraverso i quali il citoplasma si estende tra cellule adiacenti: placche cribrose. Inoltre le cellule che li compongono sono sprovviste di parete secondaria. - CELLULE COMPAGNE: sono prive di parete secondaria. Sono strettamente associate ai tubi cribrosi, a cui sono collegate mediante i plasmodesmi. PIANO CORPOREO Tutte le piante hanno un piano corporeo primario, costituito dalle porzioni non legnose della pianta. Gli alberi e i cespugli possiedono anche un piano corporeo secondario, formato da legno e corteccia. Al piano strutturale contribuiscono: - La disposizione delle cellule e dei tessuti lungo l’asse principale. - La disposizione concentrica dei sistemi tissutali. Il piano corporeo viene prodotto da una gerarchia di MERISTEMI. Talvolta questi restano attivi per molti anni, dando alla pianta la possibilità di sopravvivere per centinaia di anni. Ci sono due tipi di cellule meristematiche: - APICALI Originano il piano corporeo primario. Sono collocate all’apice della radice (allungamento delle radici) e dei fusti (allungamento dei rami) e producono i tessuti primari del corpo vegetale:  PROTODERMA  sistema tissutale tegumentale  MERISTEMA FONDAMENTALE  sistema tissutale fondamentale  PROCAMBIO  sistema tissutale vascolare - LATERALI Originano il piano corporeo secondario: legno e corteccia. Si distinguono due meristemi laterali:  CAMBIO VASCOLARE: dà origine alle cellule del floema e dello xilema secondario.  CAMBIO SUBERO-FELLODERMICO: dà origine alle cellule di sughero, pareti cerose e talvolta della corteccia. STRUTTURE FONDAMENTALI DELLA PIANTA  RADICI:  FUNZIONI:  TIPOLOGIA: - Ancoraggio alla pianta. - A FITTONE (dicotiledoni) - Assorbimento dell’acqua e minerali. - FASCICOLATE (monocotiledoni e alcune dicotiledoni) - Accumulo sostanze nutritive.  ZONE: - REGIONE MERISTEMATICA Produce le cellule di tutti i tessuti radicali, infatti contiene i tre meristemi primari:  protoderma (periferia).  meristema fondamentale (intermedio).  procambio (centro). - CUFFIA RADICALE (zona più bassa) Si trova nella parte più esterna della radice, in quanto la protegge nella crescita verso il basso, dettata dallo stimolo gravitropico. Contiene sostanze lubrificanti che facilitano la discesa nel sottosuolo. Sotto la cuffie vi è il centro quiescente, strato di cellule che si dividono molto lentamente. Si attivano per riparare eventuali danni subiti dalla radice in presenza di ostacoli. - REGIONE DI ALLUNGAMENTO Zona responsabile dell’allungamento della radice: le cellule si distendono e aumentano di lunghezza, provocando l’unione dei vacuoli e spingendo la cuffia e il meristema apicale verso il basso. - REGIONE DI MATURAZIONE (zona più alta) Avviene il differenziamento delle cellule nei vari tipi cellulari. È presente in tutte le radici.  SEZIONE TRASVERSALE - Epidermide. - Corteccia o cilindro corticale. - Endoderma. - Periciclo (formato da cellule meristematiche). - Stele o cilindro vascolare (dove si trovano xilema e floema).  MODIFICAZIONI DELLA RADICE - RADICI AVVENTIZIE: Si originano dal fusto delle foglie. Si formano in seguito a fenomeni traumatici, quali ferite o distacco di una porzione della pianta madre. - RADICI TUBERIZZATE: Sono molto grandi a seguito dell’ingrossamento del parenchima corticale o centrale. Sono funzionali all’accumulo di sostanze di riserva. - RADICI PNEUMATOFORI: Fuoriescono dal sottosuolo a causa del geotropismo negativo. Si innalzano dal terreno verticalmente con funzione di areazione. - RADICI AUSTORI: sono molto particolari, perché sono in grado di succhiare la linfa delle piante ospiti, perforandone i tessuti conduttori.  IMPORTANZA FARMACEUTICA Contengono sostanze importanti per la medicazione e per l’alimentazione.  FUSTO  COSTITUZIONE Tessuto fondamentale con cellule prevalentemente parenchimatiche.  FUNZIONI - Supporto meccanico. - Contiene i tessuti vascolari (floema e xilema). - Trasporto e immagazzinamento dell’acqua e delle sostanze nutritive. - Nuova crescita, associata a tessuti meristematici (avviene nelle gemme).  SVILUPPO Si sviluppa secondo un modello modulare. I tessuti meristematici delle gemme terminali e apicali danno origine alle foglie e ai fiori. (NUOVA CRESCITA).  STRUTTURE PRIMARIA: - EPIDERMIDE: costituito da tessuto tegumentario con funzione protettiva. - CILINDRO CORTICALE: costituito da cellule prevalentemente parenchimatiche e collenchimatiche. (o CORTECCIA) La parte più esterna è detta PERICICLO. Talvolta svolge la fotosintesi. - CILINDRO CENTRALE: ha una forma ad anello e contiene il midollo. La parte più esterna è detta PERICICLO. (O STELE) Formato da fasci vascolari: xilema primario, floema primario, cambio. Disposizione: - DICOTILEDONI: fasci disposti in un cilindro (midollo al centro e la corteccia all’esterno). - MONOCOTILEDONI: fasci vascolari disseminati in tutto il tessuto fondamentale. NON HANNO UNA CRESCITA SECONDARIA, in quanto non produce cambio cribro-vascolare e subero-fellodermico né sughero.  STRUTTURA SECONDARIA: È presente nelle piante legnose, a cui fornisce sostegno meccanico. Ha anche una funzione fisiologica, in quanto permette il rinnovo periodico delle strutture di conduzione, rendendole così funzionali per secoli. Di crescita secondaria e quindi di accrescimento in spessore si occupano due meristemi secondari:  CAMBIO CRIBRO VASCOLARE (CAMBIO) Determina l’accrescimento del cilindro centrale (legno + libro). Nella struttura primaria del fascio conduttore è presente il floema primario, il cambio e lo xilema primario (outin). Quando si passa alla crescita secondaria il cambio si estende fino a congiungersi con quello dei fasci conduttori adiacenti, formando un anello continuo, al cui completamento inizia la crescita secondaria: - Lo xilema secondario cresce in senso centripeto spostando verso l’interno lo xilema primario. - Il floema secondario cresce in senso centrifugo, spingendo verso l’esterno il floema primario. In questo modo floema e xilema muoiono a fine stagione a seguito dello schiacciamento. Successivamente vengono separate dallo strato di floema funzionale e inserite nel sughero formato da nuovo periderma.  FIORE:  PARTI FERTILI: se sono presenti entrambe il fiore è definito ERMAFRODITO o BISESSUATO o PERFETTO, altrimenti UNISESSUATO o IMPERFETTO. - STAME – ANDROCEO (Parte maschile) 1. ANTERA Contiene i sacchi pollinici, che proteggono le microspore, da cui si originano i granuli pollinici. 2. FILAMENTI - PISTILLO – GINOCEO (Parte femminile) 4. STIGMA 5. STILO (parte filamentosa) 6. OVARIO  PARTI ACCESSORIE 3. PETALI 9. SEPALI  IMPOLLINAZIONE Processo che permette la fecondazione dell’ovario, sfruttando il vento (anemogame) – processo più antico – o gli insetti (entomogama). I più importanti impollinatori sono le api, i coleotteri, le farfalle, che hanno sviluppato dispositivi per il trasporto del polline.  RIPRODUZIONE DELLE ANGIOSPERME Nelle angiosperme la riproduzione avviene con alternanza di generazioni, per cui si alternano generazioni di organismi diploidi pluricellulari (2n) e organismi aploidi pluricellulari (n) – CICLO RIPRODUTTIVO APLO-DIPLOIDE.  FORMAZIONE DELLE CELLULE SESSUALI MASCHILI – GRANULI POLLINICI Nell’antera è presente un microsporocita diploide che, in seguito a meiosi, forma 4 microspore aploidi, ciascuna delle quali si divide per mitosi dando origine a un granulo pollinico immaturo, contenente una cellula del tubulo e una cellula generativa. Quest’ultima viene mantenuta nel citoplasma della prima, nel quale si divide per mitosi in due cellule spermatiche aploidi, divenendo un granulo pollinico maturo.  FORMAZIONE DELLE CELLULE SESSUALI FEMMINILI – OVULO Nell’ovario vi è un megasporocita diploide che, in seguito ad un processo di meiosi forma 4 megaspore aploidi, di cui tre degenerano. La megaspora rimasta va incontro a tre mitosi fino alla formazione del sacco embrionario, contenente 8 nuclei aploidi: una cellula uovo, due nuclei polari, due cellule sinergidi e tre cellule antipodali. Mitosi  FECONDAZIONE Con l’impollinazione il granulo pollinico giunge sullo stigma e si incomincia a formare il tubulo pollinico, che permette al granulo di penetrare nell’ovario, dove libera le due cellule spermatiche. A questo punto: - una si fonde con la cellula uovo per dare origine ad uno zigote diploide. - l’altra si fonde con i due nuclei polari per dare origine all’endosperma triploide.  IMPORTANZA FARMACEUTICA I fiori hanno notevoli proprietà farmaceutiche, in quanto sono fonti di oli essenziali, flavonoidi, pigmenti. La camomilla ad esempio è una sostanza con potere calmante.  FRUTTO  Prodotto della fecondazione dell’ovulo. Dopo la fecondazione gli ovuli contenuti all’interno dell’ovario fecondato si sviluppano in semi.  FUNZIONI - PROTEZIONE - NUTRIMENTO - FAVORIRNE LA DISPERSIONE  COSTITUZIONE Si distinguono generalmente tre strati distinti (pericarpo): - EPICARPO: determina i caratteri organolettici del frutto. - MESOCARPO: costituisce la polpa nei frutti carnosi. - ENDOCARPO: vi è in genere una cavità contenente i semi.  CLASSIFICAZIONE: - FRUTTI VERI: derivano dall’accrescimento e dalla trasformazione del solo ovario. - FRUTTI FALSI: derivano dall’accrescimento e dalla trasformazione dell’ovario e di altre parti fiorali. - FRUTTI SEMPLICI: derivano da un solo fiore. In base alla consistenza del pericarpo si dividono in: FRUTTI SECCHI: frutti con scarso parenchima, contenuto di acqua scarso. DEISCENTI: si aprono per permettere al seme di fuoriuscire. INDEISCENTI: mantengono i semi al loro interno senza aprirsi. FRUTTI CARNOSI: frutti con parenchima ricco di acqua. Hanno un mesocarpo succoso e polposo. Il seme è contenuto in un nocciolo legnoso che non è in grado di aprirsi spontaneamente (indeiscente): - DRUPE: epicarpo sottile, mesocarpo carnoso, endocarpo legnoso. - BACCHE: epicarpo membranoso, mesocarpo ed endocarpo carnoso. - AGRUMI: epicarpo sottile, mesocarpo spugnoso, endocarpo settato. - CURCUBITACEE: Es. zucchine. - FRUTTI COMPOSTI: si originano da tanti fiori e quindi dalla fusione di molti ovari  IMPORTANZA FARMACEUTICA Papaia, arance, agrumi, capsula del papavero, l’anice, hanno un impiego farmaceutico ed erboristico. Altri semi hanno importanti impieghi alimentari come il caffe, il cacao, le castagne, le nocciole.  SEME Risultato dell’evoluzione dell’ovulo. Dopo la fecondazione il sacco embrionale è soggetto a modificazioni: lo zigote incomincia a dividersi ripetutamente dando origine all’EMBRIONE. Durante questo processo si assiste ad un flusso di nutrienti dalla pianta madre ai tessuti dell’ovulo e ciò comporta la formazione di endosperma, perisperma e cotiledoni. Alla maturazione dell’embrione si distacca dall’ovario e ne consegue l’indurimento dell’involucro tegumentale ( STATO DI QUIESCENZA). SISTEMA NUTRIZIONALE CHIUSO Le sostanze di riserva sono contenute nei cotiledoni, nel caso in cui questi siano grossi e carnosi, oppure nell’endosperma a seconda della specie. Principali sostanze di riserva dei semi: - Amido (leucoplasti) - Grassi (goccioline nel citoplasma) - Proteine. FUNZIONI: - Propagare la specie occupando zone sempre più vaste. - Proteggere l’embrione anche in condizioni ambientali avverse. Perciò nel corso della selezione sono stati favoriti semi di piccole dimensioni, dotati di particolari dispositivi facilitanti la dispersione. Diversamente dallo sviluppo dell’embrione animale, quello dei semi ha un decorso molto più lungo, che si protrae fino a che le condizioni ambientali diventino favorevoli per la GERMINAZIONE. Durante lo stato di quiescenza  Le disposizioni di riserve si arrestano. Il seme tende a disidratarsi (mantiene solo il 5-20% di H2O). Molti enzimi si inattivano (blocco della sintesi di RNA e proteine). Per riprendere la germinazione  Idratazione per la ripresa delle attività metaboliche. Temperatura tra i 20-25° C. Luce per la ripresa della attività fotosintetica. Ossigeno. La prima struttura che viene fuori quando il seme entra in germinazione è la RADICHETTA, radice embrionale, che permette all’embrione ancorarsi al terreno e assorbire acqua. Insieme a questa vengono fuori DUE FOGLIE, che si originano dai cotiledoni. Entrano in gioco diversi enzimi che si occupano della sintesi di molecole, scissione anaerobica del glucosio ecc. Il seme è ricoperto dal tessuto tegumentale. Dall’embrione, immerso nell’endosperma, si dipartono i cotiledoni. Le proporzioni tra i tre tipi di riserve variano enormemente da seme a seme. IL TRASPORTO DI SOLUTI ORGANICI AVVIENE NEL FLOEMA E NON NELLO XILEMA Esperimento di Malpighi: la rimozione di un anello di corteccia contenente floema, blocca la traslocazione di soluti organici all’interno dell’albero. I soluti si accumulano nel floema al di sopra dell’incisione creando un rigonfiamento. Il gonfiore è dato da acqua, zuccheri, aminoacidi, alcuni minerali, sostanze derivate dalla fotosintesi. Esiste dunque un processo di TRASLOCAZIONE delle sostanze prodotte durante la fotosintesi: SORGENTE (zona di produzione)  POZZO (zona di immagazzinamento) Il pozzo è un organo che consuma zucchero per le proprie necessità di crescita e immagazzinamento. È importante la presenza di organi di riserva in quanto la fotosintesi produce più di quanto serve alla pianta. Il saccarosio, prodotto dalle cellule del mesofillo delle foglie, viene secreto contro gradiente di concentrazione. Per questa ragione viene richiamata acqua per osmosi dallo xilema al tubo cribroso (sorgente). L’ingresso genera un potenziale di pressione tale da spingere il fluido verso il pozzo. REGOLAZIONE DELLA CRESCITA Lo sviluppo di una pianta viene regolato da: - Segnali ambientali (Es. luce, freddo, caldo) - Recettori (Es. fotorecettori) - Genoma. - Ormoni:  ACIDO ABSCISSICO Mantiene la dormienza dei semi e la dormienza invernale. Interviene nella chiusura degli stomi.  BRASSINOSTEROIDI Promuovono l’allungamento dello stelo e del tubo pollinico e la differenziazione dei tessuti vascolari.  CITOCHINE Inibiscono la senescenza delle foglie, promuovono la divisione cellulare e la crescita delle radici.  ETILENE Promuove la maturazione dei frutti e l’abscissione delle foglie. Inibisce l’allungamento dello stelo.  GIBERELLINE Promuovono la germinazione dei semi, la crescita dello stelo, dei frutti, interrompono la dormienza invernale, visto che hanno la possibilità di mobilitare le riserve nutritive dei semi e delle piante.  AUXINE Allungamento degli steli, inibiscono l’abscissione delle foglie e la crescita eccessiva delle gemme ascellari. Sono responsabili del FOTOTROPISMO: crescita degli organi di una pianta verso la luce o in direzione opposta. Non tutte le parti della pianta sono dotate di fototropismo. La DORMIENZA DEI SEMI è uno stato in cui è sospesa l’attività di crescita. Si verifica anche in presenza di condizioni ambientali idonee alla crescita e ha importanti vantaggi in termini di adattamento all’ambiente. Questo stato può essere interrotto da fenomeni di abrasione, fuoco, basse temperatura. NUTRIZIONE DELLE PIANTE Le piante per completare il proprio ciclo di vita hanno bisogno di elementi essenziali che non possono essere sostituiti da altri elementi. Tranne che per l’azoto, che viene captato dall’atmosfera, tutti i minerali necessari derivano dalle rocce e di solito vengono presi dalla soluzione del suolo. Esistono due categorie di elementi essenziali: - MACRONUTRIENTI (utili in grandi quantità): Azoto: assorbito soprattutto come ione ammonio o nitrato. Utilizzato per sintetizzare proteine e acidi nucleici. Fosfato: utile per sintetizzare ATP e nucleotidi. Potassio: importante nel bilancio ionico della cellula vegetale. Zolfo: utile per la fotosintesi. Magnesio: richiesto da molti enzimi, come la DNA polimerasi. Calcio: cofattore enzimatico. - MICRONUTREINTI (utili in minore quantità): Ferro: importante per la fotosintesi (proteine ferro-zolfo). Ioni cloruro Ioni manganese Zinco Rame I SUOLI sono sistemi complessi con componenti di materia vivente e non vivente. Contengono acqua, argilla, particelle minerali favorevoli alla crescita della pianta. La pianta assume le sostanze nutritive sotto forma di ioni carichi rilasciati nella soluzione del terreno. Nel suolo si distinguono: - Orizzonte A: soprassuolo. Contiene la maggior parte della materia morta in decomposizione. - Orizzonte B: sottosuolo. - Orizzonte C: strato roccioso. Un FERTILIZZANTE deve contenere azoto, fosfato (sotto forma di anidride fosforica) e potassio (sotto forma di ossido di potassio). Il pH ottimale per la maggior parte delle coltivazioni è 6,5. Alcune piante preferiscono terreni acidofili. CICLO DELL’AZOTO Le piante hanno un meccanismo particolare di fissazione dell’azoto, in quanto non possono utilizzarlo così come è presente nell’atmosfera. Il legame triplo N2 è estremamente stabile e richiede molta energia per rompersi. Di questo si occupano BATTERI AZOTOFISSATORI, il cui compito è convertire N2 in NH3. Questi sono presenti nelle radici, come dimostrano le protuberanze, dove fissano 170 milioni di tonnellate di N all’anno. Nel processo di fissazione interviene un enzima detto NITROGENASI, che lega una molecola di azoto gassoso. A questo punto un AGENTE RIDUCENTE trasferisce tre coppie di atomi di IDROGENO all’N2. Conseguente distacco del nitrogenasi. Successivamente i BATTERI NITRIFICANTI formano dall’ammoniaca gli IONI NITRITO attraverso il processo di NITRIFICAZIONE. Poi lo ione nitrito diventa IONE NITRATO, che può essere ritrasformato in azoto atmosferico. Alcune piante AUTOTROFE sono dette carnivore, in quanto integrano le carenze di azoto cibandosi di insetti. Si trovano in regioni paludose dove i terreni sono poveri di N. Le PIANTE PARASSITE sfruttano altre piante per soddisfare le proprie necessità che possono comprendere l’assunzione di minerali, acqua e prodotti della fotosintesi.