biologia animale e vegetale, Appunti di Biologia

Scarica biologia animale e vegetale e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! 1 La vita tende a generare vita. Un organismo vivo è un sistema termodinamico aperto (che può scambiare con l’ambiente materia ed energia), in grado di mantenersi autonomamente in uno stato energetico di disequilibrio stazionario (spontaneamente andrebbe perso perché i processi spontanei portano ad una diminuzione dell’energia libera e un aumento dell’entropia, questi sono i due parametri che indicano la spontaneità e la trasformazione) e in grado di dirigere una serie di reazioni chimiche verso la sintesi di se stesso. Un sistema morto porterebbe al caos, quindi una cellula che mantiene la sua struttura e la sua forma è in disequilibrio, e scambia l’energia con l’esterno per mantenerlo. La morte è una trasformazione spontanea. Com’è costituito un atomo? Da un nucleo costituito da protoni e neutroni, con intorno gli elettroni. La carica del nucleo è positiva, perché è costituito da particelle cariche positivamente (protoni) e particelle neutre (neutroni). La carica degli elettroni è negativa. L’atomo è quindi elettricamente neutro perché ha un = numero di protoni e di elettroni. Dimensioni del nucleo rispetto all’atomo occupa un volume 1/10.000. Il nucleo quanto contribuisce sulla massa dell’atomo? 99,99% perché gli elettroni hanno una massa piccola da essere trascurabile, per cui tutta la massa dell’atomo sta nel nucleo. Differenza tra elementi e atomi: l’elemento racchiude atomi diversi che differiscono per numero di neutroni. Tutti gli isotopi appartengono allo stesso elemento ma presi singolarmente sono atomi diversi perché hanno masse diverse. Sulla tavola periodica abbiamo informazioni sugli elementi non sugli atomi. La reattività di un atomo e quindi la tendenza a formare composti è determinata dal numero degli elettroni e dal numero dei protoni. Gli elettroni hanno una massa ‹‹ dei neutroni e dei protoni quindi la loro massa è al limite perché preclude la possibilità di descrivere quell’oggetto con la fisica classica, cioè vanno descritti con i concetti della meccanica quantistica. Non si può dire qual è la posizione di un elettrone perché contemporaneamente è onda e particella e lo determiniamo noi quando facciamo un’osservazione; quindi intorno al nucleo non si può dire dove si trovano gli elettroni. Come abbiamo un’incertezza sulla posizione ma non sull’energia, allora noi descriviamo un’area attorno al nucleo dove si può trovare l’elettrone che si chiama orbitale. Visto che l’elettrone lo descriviamo in termini probabilistici e non deterministici, allora esiste quest’area attorno al nucleo dove è probabile trovare un elettrone che se si allontana di molto non è più attratto dal nucleo e se ne va. Le forme degli orbitali: l’orbitale è il risultato dell’equazione differenziale. L’equazione prevede le forme degli orbitali dove si possono trovare gli elettroni. In ogni orbitale non ci possono essere più di due elettroni e negli atomi poli-elettronici c’è bisogno di creare più orbitali. (gli orbitali non esistono se non c’è un elettrone). Orbitali di forma sferica sono gli orbitali s, man mano che aumentano gli elettroni diventano 1s, 2s. Al livello 2 c’è la possibilità di avere altri orbitali con una forma diversa, non più sferica, a doppio logo detti orbitali p. Tra di loro sono orientati con angoli retti di 90° e ce ne sono tre lungo le tre direzioni degli assi cartesiani. Quando ci sono orbitali della stessa energia, vale il principio della massima molteplicità e si mettono in orbitali diversi. Tavola periodica degli elementi tiene conto di tutti gli isotopi. Ad esempio il bromo, ha numero atomico 35 quindi ha 35 protoni e 35 elettroni, numero di massa 80 che dipende dal numero di neutroni che sono 45; ma non esiste nessun bromo che ha 45 neutroni perché ne ha uno che ne ha 44 e uno che ne ha 46 quindi il numero di massa è la media pesata in base alla percentuale. Che cosa sono gli ioni? Atomi in cui si è perso il bilanciamento tra le cariche positive e negative. Cationi se hanno perso elettroni e hanno più protoni nel nucleo e quindi carica positiva. Anioni se hanno acquistato elettroni e hanno una carica negativa. Il nome dell’elemento dipende dal numero di protoni, le caratteristiche chimiche dipendono dal numero degli elettroni. La configurazione elettronica esterna determina le proprietà chimiche e quindi quelli che stanno nello stesso gruppo hanno le stesse proprietà chimiche. Quelli del primo gruppo formano ioni cationici monoatomici quindi perdono un elettrone e si caricano positivamente, quelli del secondo gruppo perdono due elettroni; invece quelli del settimo gruppo hanno la tendenza ad acquistare un elettrone. Gli atomi hanno la tendenza a raggiungere una configurazione elettronica tipica dei gas nobili, perché è energia più bassa. Nella formazione dei legami chimici questa tendenza ad acquistare o perdere un elettrone, si manifesta; cioè tutti i legami chimici che gli elementi fanno sono motivati dalla variazione del numero degli elettroni che si verifica con la clonazione del legame e che porta ad una maggiore stabilità. Regola dell’ottetto che vale solo per il secondo periodo, essi tendono ad essere circondati da otto elettroni. Un modo per raggiungere l’ottetto è formare ioni, anche se non tutti gli elementi possono formarli. Legami chimici sono un modo in cui gli atomi abbassano la propria energia, perché raggiungono una situazione elettronica più stabile. Esistono 3 tipi di legami chimici: legame ionico, metallico, covalente. Legame ionico, contratto da ioni cioè particelle cariche, la forza che li tiene insieme è attrazione elettrostatica tra cariche di segno opposto. Il legame ionico esiste solo nel solido ionico. Legame covalente è un legame nel quale gli atomi raggiungono l’ottetto e tendono in compartecipazione orbitali atomici. Gli orbitali molecolari nascono dalla sovrapposizione di orbitali atomici. 2 Il legame doppio è più corto di un legame singolo, legame singolo 1,54 A; legame doppio 1,34 A; legame triplo 1,21 A; man mano che aumenta il numero di legami la distanza diminuisce. Il secondo legame non è forte quanto il primo ma non è il doppio. Perché l’energia di legame del 1° è 346, del 2° è 602, del 3° è 835. Quindi la forza di legame aumenta ma non in maniera proporzionale. Nel doppio legame i due legami non sono uguali tra di loro. Esistono due tipi di legami covalenti, σ e π. Il σ è più forte di π. Nel legame singolo c’è solo σ, nel legame doppio uno è σ e l’altro è π, nel triplo legame abbiamo un σ e due π. Il legame π: è dato da due orbitali p che si sovrappongono in maniera laterale. La densità elettronica va sotto e sopra il piano dei nuclei in modo da formare π. Il legame σ: si può ottenere da qualsiasi orbitale, che si sovrappongono in maniera frontale. (orbitale s solo frontale può formarsi) Perché π è più debole? Perché la forza del legame covalente è la conseguenza dell’entità della sovrapposizione, più si sovrappone più il legame è forte. Nella sovrapposizione laterale si sovrappongono di poco e il legame è debole. Intorno ad un legame σ è sempre possibile la rotazione, se ruoti i nuclei non viene meno la sovrapposizione. Invece intorno ad un legame π non è possibile la rotazione perché appena si ruota si spezza il legame. I legami π non sono mai soli, c’è un punto di rigidità dove la molecola non gira. Strutture di Lewis: in una molecola vengono rappresentati non solo i legami covalenti con il segmento, ma anche le coppie di elettroni di non legame quelle dello strato di valenza, il più esterno. Se lo facciamo con quelli del 2° gruppo deve raggiungere l’ottetto. Ibridazione: è un rimescolamento di orbitali atomici che dà dei nuovi orbitali atomici, ma la forma e l’energia dipende dagli orbitali atomici di partenza. Il C può mescolare gli orbitali del livello due, e quindi dopo l’ibridazione non esiste più l’orbitale s e p, esistono solo gli orbitali mescolati. Quanti orbitali si ottengono? Numero = a quelli di partenza quindi 4 (1s e 3p). Prendono il nome sp₃, 109°, hanno la stessa energia, ed è intermedia tra s e p, e i quattro elettroni si distribuiranno uno per uno negli orbitali. La forma sp₃ si dispongono nello spazio ai vertici di un tetraedro, perché tiene distanti tra di loro gli orbitali e sono più stabili. Il C può formare 4 legami σ, quindi è ibridato sp₃. Il legame singolo può ruotare. L’ibridazione sp₂, 1s e 2p, si formeranno 3 orbitali ibridi e uno non ibridato, forma dell’orbitale è trigonale planare, forma angoli 120°, può formare un doppio legame, formato da σ e π. L’ibridazione sp, forma 2 orbitali s e 2 p non coinvolti, ha mescolato un 1s e 1p, lineare 180°, forma tripli legami, formato da σ e π. Quante volte può ruotare? 60mln in 1sec e dipende dalla temperatura. Elettronegatività: tendenza di un nucleo ad attrarre gli elettroni condivisi di legame covalente. Più vado avanti col numero di protoni, più aumentano gli elettroni non coinvolti nello strato di valenza che fanno da schermo perciò non aumentano linearmente perché sono bloccati. L’elettronegatività aumenta lungo il periodo e diminuisce lungo il gruppo. Quando un legame covalente presenta un’elettronegatività significativa tra i due atomi che lo contraggono si chiama covalente polare. Gli elettroni di legame sono spostati verso quello più elettronegativo. La molecola che ne risulta sarà una molecola polare, con un polo positivo e uno negativo (dipolo), si indica con δ± (densità elettronica). Una molecola è polare se i legami sono polari e i dipoli non si annullano. Forze intermolecolari: interazioni che si stabiliscono tra le molecole che tendono ad avvicinarsi tra di loro. Sono basate su interazioni di tipo elettrostatico, parliamo di un δ+ che attrae un δ-. L’intensità di una forza intermolecolare è più bassa del legame chimico, sono deboli; ma sono fondamentali nella sfera biologica perché prese singolarmente non sono intense ma ne avvengono tante contemporaneamente rendono più stabili le interazioni. Le forze intermolecolari non sono presenti nei gas, ma solo nei solidi e nei liquidi. → Dipolo- dipolo: si dispongono in modo semplice per interfacciare il δ+ con δ- e viceversa. → Dispersione di London: si forma un dipolo istantaneo, nel mentre crea un dipolo indotto da quello istantaneo, quindi δ+ a δ- diventeranno δ- a δ+. Preso da solo il dipolo istantaneo è debole. Ma quali sono quei fattori che favoriscono l’instaurarsi della forza: numero di elettroni perché più grande è la molecola più è possibile la forza di London; sono consentite le molecole che hanno una forma tale da consentire lo scambio tra le molecole, più la forma è allungata più la forza si manifesta perché agisce sulla trasmissione del dipolo istantaneo (i dipoli istantanei si creano in continuazione). Nell’ibridazione sp, il C forma due doppi legami, il legame è polare ma la molecola è apolare, quindi i dipoli si annullano (stessa intensità ma direzioni opposte). In questo esempio, orbitano intorno all’H e O e infatti O ha 8 elettroni e l’H ne ha 2 quindi sono stabili. Si chiama molecola un composto in cui il legame chimico è di tipo covalente. Le molecole esistono anche da sole, indipendente l’uno dall’altra. 5 La caratteristica dei lipidi è quella di essere apolari. Gli acidi grassi sono unità costitutive, non sono liberi ma costituenti della categoria seguente. I trigliceridi fungono da riserva energetica, invece il ruolo strutturale è dei fosfolipidi, cere, sfingolipidi; invece terpeni e steroidi hanno ruolo strutturale e regolatorio. Gli acidi grassi: molecole che hanno una catena carboniosa lunga e terminano con -COOH. Affinché abbiano l'acido grasso devono avere molti carboni, C14, C16, C18, C20. Si tratta di molecole che hanno doppia natura, hanno una porzione lunga apolare, non sono ramificate sono lineari, e una testa polare data dall'acido carbossilico che è un elettrolita debole e si dissocia. L'acido grasso è apolare perché la porzione è dominante, molecola anfipatica. Esplicita le forze di London e sono solide, se non avesse avuto le catene ramificate sarebbe stata circolare e non più solida perché nelle forze di London sono importanti il numero di elettroni e i punti di contatto. Possono essere saturi quindi non hanno doppi legami, oppure insaturi cioè hanno 1 o più doppi legami, o poli insaturi cioè più di 2 doppi legami. Nomenclatura omega: gli omega 3 e 6 indicano la posizione dove incontriamo il primo doppio legame. L'omega 3 fanno più bene degli omega 6. Sono acidi grassi essenziali. La presenza del doppio legame all'interno della catena, impone che il doppio legame contiene stereoisomeria geometrica, cis o trans, tutti gli acidi grassi insaturi sono cis. Il cambiamento di forma induce al cambiamento di stato fisico, diventa più fluido tendenzialmente liquido man mano che aumentano i doppi legami. I doppi legami devono essere cis e stare al centro, non devono mai essere adiacenti, c'è sempre un C in mezzo; perché se sono coniugati c'è la risonanza e la molecola è rigida e non ruota. CH₂ in mezzo è un punto reattivo. L’acido grasso saturo è lineare, l’insaturo cis è a forma di U, il trans una U quasi lineare. Le molecole sature sono appannaggio di animali e vegetali, le insature solo le piante. I gliceridi: molecole complesse in cui è presente il glicerolo, ha 3 atomi di C e ciascuno lega un gruppo OH, è un poli-alcol. Per condensazione si forma un estere tra glicerolo e acidi grassi, possono legarsi 3 acidi grassi perciò dal nome trigliceride. Ha lo stato fisico determinato dagli acidi grassi saturi (grassi) e sarà solida e sono negli animali o insaturi (oli) e sarà liquida e sono nelle piante. Hanno funzione di riserva e sono incolore. Gli oli li troviamo nei frutti o nei semi. Dai gliceridi, per idrolisi, è possibile ottenere i saponi (saponificazione). Le cere: contengono una unità di acido grasso. Contiene un acido grasso saturo che forma un legame estereo con un alcol a lunga catena lineare anche questo saturo, ma è apolare e solida; le cere sono idrofobe, limitano il passaggio dell'acqua, ruolo strutturale. I fosfolipidi: sono trigliceridi senza 1 acido grasso. il P è legato con legame fosfoestereo. Il P lega un altro atomo con legame estereo. Le cefaline (sono cariche) e lecitine (non ha cariche) a seconda di cosa legano. Se legano la serina (cefaline) o la colina (lecitine). Rispetto ai trigliceridi aumenta la natura anfipatica della molecola. Hanno una zona molto polare e ha 2 code apolari. Due cariche, una negativa sul P e una positiva sull'N, quindi ha carica neutra. Lo stato fisico dipende dagli acidi grassi, c'è un bilancio tra saturi e insaturi. Le micelle o doppi strati: nelle micelle tutte le code sono all'interno e interagiscono tra di loro e con l'ambiente esterno. Nella struttura della membrana biologica è un doppio strato, teste rivolte verso il solvente acquoso, ciò che sta in mezzo sono le code apolari. È spontanea? Si è spontaneamente indotta con un enzima, contro spontaneità serve energia. Il bilayer si forma anche in altre condizioni, con tanti fosfolipidi. Gli sfingolipidi: sono presenti nelle membrane biologiche, testa polare e due code apolari. Non esiste il glicerolo ma c'è lo sfingosima che ha 3 gruppi funzionali OH, NH₂ e OH₂, ha una lunga catena e ha 1 acido grasso e forma un legame ammidico. Una delle code è la molecola stessa della sfingosina. I terpeni e gli steroli: sono apolari, non hanno l’unità di acido grasso, i terpeni sono metaboliti secondari. Non ci sono legami esterei, non sono costituiti da unità che si possono scindere, ma sono formati da 5 atomi di C, unità isopreniche. Sterolo più importante è il colesterolo, caratteristica apolare, un solo gruppo OH, non si scioglie in acqua. Ha 27 atomi di C, ma dovrebbe averne 30 solo che ne perde 3 C. Il colesterolo è costituente delle membrane biologiche, riesce ad inserirsi nel doppio strato, regola la fluidità delle cellule. Il colesterolo da dove viene? Sterolo animale, lo produciamo da soli. È precursore di una serie di ormoni renali. Vegetali assente colesterolo – contengono fitosteroli. Differiscono per i C in più nella catena laterale. CARBOIDRATI: rapporto 1:1 tra C, H, O. Hanno una funzione di fonte energetica, elementi strutturali e di supporto nelle piante, unità strutturali per la costruzione di altre biomolecole, elementi di protezione, di riconoscimento e recettoriali sulla membrana cellulare. Il monomero è il monosaccaride, deve essere bifunzionale, perché si lega in tutti e due i versi con i gruppi funzionali. Oligosaccaridi hanno poche unità fino a 10 e polisaccaride hanno milioni di unità. I monosaccaridi sono catene carboniose da 4 a 6 atomi di C, sono molte corte. Tutti i carboni legano OH, quindi sono poli-alcoli, uno dei 6 C non è alcol ma aldeide o chetone, nei chetoni si trova in posizione 2, nelle aldeidi o all’inizio o alla fine. La classificazione delle molecole si fa sulla base del gruppo carbonilico quindi aldosi e chetosi, oppure in base alla lunghezza della catena quindi triosi, tetrosi, pentosi, esosi. 6 Chiarità e stereoisomeria: esiste quando il C lega 4 gruppi diversi, il C può essere scritto in due modi per come i costituenti sono orientati nello spazio. Se i costituenti sono uguali non sono interconvertibili e quindi c’è solo una molecola. Se ne lega 4 diversi esistono due molecole enantiomeri, e sono due forme non interconvertibili di un C, la molecola è chirale, il C è stereogenico cioè generatore di stereochimica. Chirale deriva dal greco kiros, l’uno l’immagine speculare dell’altra ma non sono sovrapponibili. Se inverto i sostituenti creo un nuovo enantiomero. Rappresentazione tridimensionale del C, due modi per distinguerli, S e R. Proiezione di Fischer: è raffigurato come una croce, |si trova indietro, - si trova in avanti. Il centro è il C ed è omesso, in che cosa differiscono i due enantiomeri? Hanno le stesse proprietà chimico-fisiche, tranne il verso in cui ruotano la luce polarizzata (attività ottica), per cui uno è detto destrogiro ed uno levogiro (è una proprietà sperimentale). Differiscono per il ruolo in cui interagiscono con le altre molecole chirali. Due enantiomeri hanno proprietà biologiche diverse. Sono presenti nel limonene, dà l’odore al limone, come li riconosciamo? Grazie alle proteine. Talidomide è un farmaco antidepressivo, somministrato alle donne post partum, ma portava malformazioni al feto, era teratogena. Si è scoperto che separando la miscela solo uno dei due aveva il problema, e se li avessero separati avrebbero potuto usarlo. Quindi bisogna separare e testare evitando il C stereogenico. Gli zuccheri: la molecola più semplice è la gliceraldeide (aldo-triosi). I C vanno messi lungo la linea verticale, partendo con quello con più O quindi l’aldeide, poi mettete tante linee orizzontali quanti sono i CH₂OH. Posso passare da un enantiomero ad un altro invertendo la posizione dell’OH. Il nome che si dà a queste molecole è: D per chi ha l’OH a destra, L per chi ha l’OH a sinistra. D e L sono caratteristiche strutturali e non ci sono correlazioni tra destrogiro e levogiro. Cosa succede se voglio scrivere un tetroso? Ci sono due C stereogenici, esiste sotto forma di 2 molecole, puoi scrivere tutti i possibili stereoisomeri applicando la formula 𝟐𝒏. Quindi se ne ha 2 possono esserci 4 molecole e sono interconvertibili, quei 4 non sono tutti enantiomeri dell’altro ma ci saranno tante coppie l’uno l’opposto dell’altra. Si creano i diasteroisomeri, sono tutti diversi. Quando ho più OH, come si fa capire che è D? bisogna guardare quello più in basso e vedere se sta a destra. Il capostipite è la D-gliceraldeide. Nei tetrosi solo due molecole saranno D, gli altri saranno L e sono eritrosio e tetrosio e sono diasteroisomeri. Negli aldopentosi ci sono 8 molecole, ma solo 4 sono D e differiscono per l’orientazione dell’OH. Sono molecole con proprietà fisico e chimiche diverse. Il D-ribosio è un aldopentoso, e ha tutti gli OH a destra. Gli aldoesosi hanno 16 molecole, ma solo 8 sono D, il più importante è il glucosio, gli OH sono alternati, più abbondante in natura e più stabile. Il mannosio e il galattosio, cambia con il glucosio la stereochimica del C2 e del C4. Esiste una sottocategoria dei diasteroisomeri che si chiama epimero: un diasteroisomero che differisce dall’altro solo per una sola posizione. 7 Ciclizzazione: se mettiamo in acqua queste molecole, ciclizzano, cioè due gruppi funzionali reagiscono tra di loro. Reagiscono aldeide o chetone con gli alcoli in una reazione di addizione. Rappresentazione delle forme cicliche: proiezione di Haworth. L’O va in alto a destra, i gruppi a destra vanno sotto, quelli a sinistra vanno sopra.  e  indicano la configurazione del C anomerico, il C che diventa sp₃ è chirale. : l’OH del C anomerico si trova dalla parte opposta del CH₂OH, : l’OH del C si trova dalla stessa parte del CH₂OH. Alfa e beta sono diasteroisomeri. Tutti possono ciclozzare basta che diano un ciclo stabile. I cicli non sono planari, quindi la reale formula è la conformazione a sedia. Dei due C, uno è verticale (assiale), l’altro è orizzontale (equitoriali). Sono più stabili le configurazioni equatoriali,  è più stabile di  e quindi si forma più  che l’. Il glucosio è più stabile perché ha tutti gli OH in orizzontale. Quelli in verticale si urtano. Si divido si formano 36% di  e 64% di . Il legame semiacetalico è un legame reversibile, tende ad aprirsi e richiudersi, all’equilibrio. Il ribosio è un acido nucleico, può formare cicli a 5 o a 6 termini, in acqua si formano tutte e 2. Questo zucchero appartiene agli zuccheri modificati, non è uno zucchero canonico perché questi hanno tutti gli OH. Disaccaridi: due monosaccaridi uniti grazie alla reazione tra semiacetale + alcol= acetale (glicoside). Il maltosio è un omodisaccaride formato da due unità di glucosio, legame -1,4 glicosidico. C’è una reazione di condensazione. Ci sono 10 C stereogenici, il cellobioso e il maltosio differiscono per C anomerico, sono diasteroisomeri anzi epimeri. Eterodisaccaride costituito da galattosio e glucosio= lattosio, legame -1,4 glucosidico. Il saccarosio è costituito da glucosio e fruttosio, il fruttosio può ciclizzare a 5 o a 6, in questo caso a 5 ed ha legame , quindi il legame del saccarosio sarà 1,2 glicosidico, i due OH sono semiacetalici perciò lo potremmo chiamare doppio acetale. È una molecola stabile, non si apre mai rimane la stessa perché è un doppio acetale, non c’è equilibrio in soluzione. Oligosaccaridi: i più importanti sono le ciclodestrine, sono ciclici, il primo e l’ultimo creano un legame glicosidico. Creano una cavità in cui gli OH sono esposti all’esterno, e queste cavità ospitano delle sostanze idrofobe, serve a veicolare i farmaci e portale in zone polari. Il chetone in posizione 2, sottrae un C. Chetoso a 3, divide in tre e gli altri due sono CH₂OH e non c’è un C stereogenico. Quello a 4 termini ha un solo C stereogenico. I chetopentosi hanno 2 C stereogenici quindi 4 molecole ma solo 2 sono D, ribulosio ha i due OH a destra ed è estremamente abbondante in natura, nella fotosintesi. I chetoesosi hanno 8 molecole, ma 4 sono D, fruttosio è più abbondante, ha nelle stesse posizioni gli OH del glucosio, ma non ci stupisce perché c’è la glicolisi. In natura esistono solo la serie D. In uno zucchero ciclizzato si formano C sp₃. Nel glucosio si possono formare 5 cicli diversi e dipende dalla stabilità del prodotto. Si formano i cicli più stabili a 5 o a 6 termini chiamati piranosico e furanosico. Sono tutti gruppi OH alcolici? No perché il C lega anche O e l’OH, nuovo gruppo funzionale chiamato semiacetale. È un C stereogenico sp₃ che lega due O, OR e OH. Gli alcoli+ semiacetali = polimerizzazione. 10 Il - foglietto ha in comune con l’- elica il fatto di essere regolare e stabilizzata dal legame ad H che si stabilizza tra CO e NH, quelli che danno la forma sono i legami peptidici. La differenza è che i legami ad H sono fatti tra amminoacidi a grandi distanze l’uno dall’altro. I tratti coinvolti hanno i legami peptidici e quindi la parte planare si dispongono in angoli regolari che somiglia ad un foglio piegato, i gruppi R si trovano sopra e sotto. La forma che assume è pseudo planare e allungata. Si possono individuare due tipologie: antiparallela e parallela. L’antiparallela una va verso l’alto e l’altra verso il basso, la parallela è quando ci sono due tratti che ruotando si riallineano. Questi tratti sono funzionali ed essenziali per avere - foglietto, non è casuale ma previsto perché senza non si realizza il -foglietto e si chiama - hairpin. È un tratto di lunghezza 3-5 residui, si interrompe perché c’è la prolina e la glicina, la glicina serve perché ha la tendenza a piegarsi di più perché non ha nessun tipo di ingombro dato che ha la catena laterale semplice. Questa predomina nelle proteine fibrose. Struttura terziaria: le varie strutture si organizzano per dare la forma finale alla proteina. Ci sono alcuni tratti ad alfa elica e alcuni a beta foglietto e altri tratti dove non c’è una struttura, nonostante ci siano forze intermolecolari queste non sono regolari. Come viene stabilizzata la forma? Con le forze intermolecolari che però si stabiliscono tra le catene laterali, tra i gruppi R. Le forze intermolecolari sono i legami ad H (possono farle le catene laterali che hanno gruppo OH), interazioni idrofobiche tra catene laterali apolari, interazioni elettrostatiche (le fanno gli amminoacidi basici con un acido), i ponti disolfuro che sono legami covalenti che si stabiliscono tra residui di cisteina. reazione di ossidazione Questa struttura crea delle zone, delle cavità nelle quali possono entrare le molecole di solvente, cavità idrofobiche; si creano interazioni con gli ioni, può ospitare le molecole che devono subire la reazione che si chiama sito attivo dell’enzima. Il ponte disolfuro non lo fanno tutte le proteine, come si decide chi lo fa? Il ponte disolfuro non è una reazione spontanea, ci vuole un reattivo che faccia fare il ponte. Il glutatione è un peptide che funge da ossidante che fa fare il ponte disolfuro. Data una catena primaria e secondaria, la terziaria è necessaria? NO. Non c’è un rapporto univoco. Chi è che determina la forma delle proteine dopo la sintesi? Chaperoni molecolari. Organizzano la formazione delle catene in modo da avvicinare i gruppi per fare le interazioni e stabilizzare le proteine. Regolano lo stato conformazionale delle catene polipeptidiche neo-sintetizzate; stabilizzano le proteine danneggiate (stress chimici o fisici) facilitandone la rinaturazione e/o la degradazione; modificano la struttura terziaria di alcune proteine per consentirne il trasporto attraverso le membrane. Heat shock proteins, rigenerano la struttura quando viene degradata in seguito a shock termico, la proteina viene smaltita dal proteasoma se dannosa. Prione: acronimo di "PRoteinaceous Infective ONly particle" =particella infettiva solamente proteica, è una proteina che diventa agente infettivo, con ripiegamento errato e con la capacità di trasmettere la propria forma mal ripiegata a varianti normali della stessa proteina. Ha una struttura terziaria diversa, alternativa, una volta a contatto con le proteine normali le contagia, induce un ripiegamento sbagliato. Vengono a contatto tramite interazioni tra le molecole, possibile grazie al fatto che i prioni ha bassa energia. Cosa cambia la struttura terziaria? L’ambiente cellulare, se una proteina polare la metti in un ambiente apolare la sua struttura terziaria cambia. Il pH, se lo cambio cambia la struttura. Derivatizzazione degli amminoacidi, legare qualcosa alle catene laterali degli amminoacidi, cambiano le interazioni, passano da un amminoacido mediamente polare ad uno carico, solo una posizione viene fosforilata. Struttura quaternaria: proteine che sono funzionali in una versione che comprende più catene polipeptidiche; la funzione si esplica quando ci sono più catene. Ad esempio, l’emoglobina, che è tetramero ed è globulare, l’actina è allungata, cheratina è una proteina fibrosa costituita da tre catene polipeptidiche elicoidali superavvolte a formare una struttura a corda molto resistente. Insolubili in acqua. NH₂ diventa NH; NH diventa N. La prolina non ha H sull’azoto, la presenza della prolina è incompatibile con qualsiasi struttura secondaria. 11 IL MICROSCOPIO STED: Fascio laser eccita (excitation)tutte le molecole fluorescenti del campione, mentre un secondo laser spegne (depletion) tutte le molecole fluorescenti eccetto quelle contenute in un volume di dimensioni nanoscopiche. Grazie a questa tecnica è possibile vedere le molecole o strutture singolarmente. È nato grazie a questa proteina fluorescente (CFP)e che viene accumulata nelle cellule. Cryo-EM: microscopia crioscopica, campione posto a temperature criogeniche (azoto liquido). Elimina la necessita di fissare con metalli. In grado di osservare complessi proteici ed anche proteine che vengono congelate, con il vantaggio rispetto ai raggi X che non è necessario ottenere il cristallo. La risonanza magnetica nucleare, ti dà l’idea della struttura tridimensionale ma devi utilizzare un solvente. LA CELLULA CELLULA EUCARIOTICA ANIMALE: si contraddistingue da una membrana e dal citosol che diventa citoplasma quando contiene gli organelli. Una cellula è un’organizzazione dotata di vita, che ha: membrana esterna, liquido cellulare (citosol), all’interno della membrana c’è il citoplasma al cui interno ci sono gli organelli. L’organello è una struttura delimitata da una membrana e il ribosoma non è un organello perché non ha la membrana ma struttura macromolecolare. Le cellule procariotiche sono più piccole di quelle eucariotiche. Nelle cellule procariotiche troviamo batteri e archeobatteri, nelle eucariotiche troviamo animali, piante, funghi; le piante sono autotrofe e i funghi eterotrofi; i protozoi possono essere di animali, piante o funghi, si intendono cellule che non hanno un’organizzazione superiore, sono isolate. I lieviti sono funghi unicellulari. Il DNA nelle cellule procariotiche è ad anello a doppia elica, nei eucarioti è organizzato in cromosomi a doppia elica. Tutte le cellule hanno lo stesso DNA, ma lo stesso DNA fa fare cose diverse, è avvenuta un’espressione selettiva, cioè in questa cellula faccio una proteina in quest’altra un’altra. La mitosi avviene solo nelle cellule eucariotiche, nelle procariotiche si chiama scissione. Nei procarioti la membrana non ha steroli, negli eucarioti ci sono. Il microscopio ottico, una lente inquadra quello che stiamo osservando e lo ingrandisce. Si fa una striscia sottile del campione e si mette su un vetrino. Osserviamo il campione con una lente e una fonte di radiazione elettromagnetica, una sorgente luminosa. Limite di risoluzione~ 200 nm (0.2 µm), si possono vedere cellule vive, o fissate e colorate. Il microscopio elettronico (TEM) a trasmissione, la sorgente luminosa è un fascio di elettroni dall’alto, che vengono emessi da un filamento, gli elettroni attraversano il campione e si fissano su una lastra fotografica che l’occhio vede. Limite di risoluzione ~ 2 nm, imposto dalle lenti usate per focalizzare gli elettroni sul campione. Non si possono osservare cellule vive ma cellule morte, fissate e colorate con ioni metallici. Gli elettroni sono deviati attraverso una sezione del campione, rivelati e proiettati in un'immagine su schermo fluorescente. È impossibile trasportarlo perché l’osservazione deve essere fatta in assenza di aria perché le molecole dell’aria potrebbero alterare gli elettroni. Il microscopio elettronico a scansione (SEM), la fonte luminosa sono gli elettroni, limite di risoluzione = 2nm, può osservare cellule morte, fissazione e la colorazione con ioni metallici. Le lenti non attraversano il campione, vengono visualizzate le forme esterne della cellula, utilizzato quando le cellule hanno strutture esterne. Gli elettroni riflessi dalla superficie del campione e poi ricostruiti in un’immagine 3D. 12 NUCLEO → è la struttura che contiene il materiale genetico, il DNA. L’RNA si trova all’esterno anche se viene sintetizzato nel nucleo grazie al processo di trascrizione. La doppia membrana, 4 strati fosfolipidici, hanno dei pori nucleari che sono composti da proteine denominate nucleoporine consente il passaggio selettivo di RNA e proteine all’esterno e all’interno. C’è una zona del nucleo individuata dal microscopio, zona più scura quindi con > densità di materiale, il NUCLEOLO, c’è sempre il DNA che codifica RNA ribosomiale. Esce dal doppio strato il tRNA, mRNA, rRNA; entrano le proteine ribosomiali. La replicazione è il DNA che copia se stesso e dà un’altra copia di DNA e avviene una sola volta; la trascrizione passaggio da un tratto di DNA al corrispondente RNA. RIBOSOMI → non sono organelli. I ribosomi sono presenti in entrambi, quelli dei procarioti sono più piccoli. Nelle eucariotiche ci sono due tipi di ribosomi quelli liberi nel citoplasma e quelli attaccati al reticolo, nella sintesi proteica eucariotica entrano in gioco tutti e due. Hanno diversa dimensione, formato da 2 subunità; il ribosoma procariotico misura 70S, quello eucariotico 80S. S=coefficiente di sedimentazione, il tempo che ci mette un corpo ad attraversare un fluido. Dipende dalla massa e dalla forma. Le due subunità del procariotico sono 50+30=70S, dell’eucariotico 60+40=80S. È fatto da RNA ribosomiale e proteine. L’RNA ribosomiale è un groviglio e forma un’ansa. L’rRNA 16S è importante per lo studio dell’evoluzione e gli alberi filogenetici dei batteri, è invariante, cambia sono da una specie ad un’altra. Più replicazioni avvengono più probabilità di mutazioni, Woese e Fox hanno introdotto questa tecnica e scoperto l’esistenza degli archeobatteri come dominio a parte. RETICOLI → esistono due reticoli sono delle cisterne, dei recipienti di forma allungata ricoperti da membrana. La sintesi proteica avviene per i ribosomi ancorati al reticolo endoplasmatico che si chiama reticolo endoplasmatico ruvido. Ci sono queste cisterne perché il prodotto che esce non è la proteina finale, il reticolo ha il compito di ospitare i ribosomi e effettuare le modifiche di conformazione prima di inviare le proteine al loro punto di utilizzo e vengono inviate come vescicole. Il reticolo endoplasmatico liscio sintetizza i lipidi, gli enzimi per sintetizzare sono dentro alle membrane. APPARATO DEL GOLGI→ le proteine vengono glicosilate, i lipidi possono essere glicosilati e formare glicolipidi. Ha una dimensione univoca, ed ha una faccia cis dove arrivano proteine RER o prodotti REL che si fondono con la membrana e una faccia trans gemmazione vescicole di trasporto. MITOCONDRIO→ esistono nelle animali e vegetali, no nei procarioti. Hanno 2 membrane, c’è una membrana esterna che dà la forma e una interna tuta pieghettata individuando le creste mitocondriali, evidenzia la presenza di DNA all’interno dei mitocondri che è di tipo procariotico, in altre ha dei suoi ribosomi procariotici. La funzione principale è quella di produrre energia, sintetizza ATP, parte il segnale della apoptosi “decisa” nel mitocondrio, la trasmissione dei mitocondri è da parte della mamma, avere un DNA proprio serve ad avere una parziale autonomia genetica, è parzialmente autonomo. CITOSCHELETRO → È presente negli eucarioti e nei procarioti. Tutta l’organizzazione proteica, fatta di proteine allungate che costituiscono lo scheletro della cellula, il ruolo è quello di costituire una rete di proteine che dà la forma. Si divide in: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi. L’actina ha una forma rotondegginate, globulare poi vengono assemblate in una struttura quaternaria e assumono forma allungata, questo vale sia per l’actina che per la tubulina. Il citoscheletro è il binario su cui viaggiano tutte le vescicole. I microtubuli e le tubuline hanno un ruolo importante nella mitosi e stimolano il movimento della cellula e il cambiamento di forma.  I microfilamenti: actina è globulare perché c’è -elica e piegamenti; actina G forma un filo di proteine e due fili attorcigliati formano la struttura (2 catene polimeriche), per consentire il movimento deve essere accorciata da un lato e allungata dall’altro, le estremità dove viene scissa si chiama estremità – e la proteina che depolimerizza si chiama gelsolina, l’altro filamento che si allunga ha l’estremità + e depolimerizza la profilina. Il microfilamento deve essere ancorato alla membrana plasmatica, altrimenti non darebbe la forma alla cellula, l’ancoraggio è mediato da due proteine, la spettrina e le anchirine che legano la spettrina nella membrana. Le integrine sono proteine di membrana che connettono la matrice extracellulare ed i microfilamenti. Contribuiscono a determinare la forma definitiva della cellula. Nelle cellule muscolari animali la distrofina connette il citoscheletro alla matrice extracellulare. In queste cellule, la miosina si muove sul microfilamento inducendo la contrazione della cellula.  I microtubuli: il monomero è - tubulina, non dà una struttura arrotolata ma una struttura cava. Il movimento è dato dal fatto che da un lato è accorciato e dall’altro è allungato. Servono al direzionamento per il movimento delle vescicole ma anche gli organelli, nella mitosi fanno muovere i cromosomi, nel centrosoma è ricco di γ- tubulina, da cui parte il fuso mitotico. FLAGELLI E CIGLIA → responsabili del movimento, protozoi, aumentare la superfice esterna, non sono attaccate alla membrana ma partono dal citoscheletro attraversando la membrana, hanno una struttura di microtubuli organizzata con coppie laterali e centrali di microtubuli; queste ciglia si devono muovere. Il movimento viene garantito dalle dineine, nome che unisce tutte le proteine che consentono il movimento, accoppiano l’idrolisi di ATP al movimento. 15 La parte proteica occupa 10%, fatta di due famiglie di proteine, l’estensina e controlla l’estensibilità della parete cellulare, ricca di idrossiprolina come il collagene, la parete deve essere estensibile perché deve assecondare il movimento; le lectine hanno un ruolo recettoriale, riconoscimento e compatibilità tra superfici cellulari, presenti sulla parete cellulare.  La parete secondaria: non c’è l’hanno tutte le cellule ma solo quelle che hanno necessità di spessore, si localizza all’interno di quella primaria, tra la membrana e la parete primaria. Le cellule che si dotano di parete secondaria continuano ad essere cellule vive e quindi a scambiare materiale ma lo fanno in maniera più difficile perché è molto rigida, con la parete 2 la cellula non è estensibile e non può fare la mitosi e quindi non può allungarsi. Rigida: ha una parte proteica assente e la parte glucidica è formata da molta più cellulosa, le fibre di cellulosa qui presenti hanno uno spessore più grande, tessitura fitta non lascia spazio e ci sono strati perpendicolari, il movimento dell’enzima nella parete primaria è ovunque invece nella 2 è coordinato. Sintesi della cellula: la cellulosa viene sintetizzata da un enzima che si chiama cellulosa-sintetasi e si trova sulla membrana e riversa il prodotto del suo lavoro nella parete, è un enzima di membrana. Queste unità vengono organizzate a rosette, una vicina all’altra, sono 6 e lavorano in maniera coordinata e ciascuna di queste sintetizza una catena di cellulosa e si aggregano insieme poiché nascono insieme e perciò il prodotto della rosetta è una microfibrilla fatta da 6 unità di cellulosa. Il substrato dell’enzima è il saccarosio, lo usa perché è lo zucchero che viaggia nel tessuto vegetale, e quindi il prodotto della fotosintesi è il glucosio ma viene trasportato sottoforma di saccarosio; non c’è utilizzo di ATP e dove prende l’energia per connettere glucosio con glucosio? Dalla scissione del legame tra fruttosio e glucosio. Utilizza l’energia del legame che rompe per sintetizzare la catena polisaccaridica, non ha bisogno di altra energia. L’enzima cellulosa sintetasi si muove all’interno della membrana, in maniera tale da rilasciare il suo prodotto in tutte le parti della membrana, è direttamente connesso ai microtubili. PLASMODESMI→ sono dei buchi nella parete, canali non proteici tra le cellule. Una variante di plasmodesmi si chiamano desmotubuli, consentono di essere simili alle gap junction, si chiama desmotubulo un tratto di reticolo endoplasmatico che parte da una cellula attraversa un plasmodesma e si congiunge con l’altra cellula, quindi un tratto di reticolo in comune tra le due cellule. VACUOLO→ è un organello vegetale (piante e funghi), il suo volume può occupare fino al 90% della membrana che contiene un liquido, succo vacuolare, ha pH 5 acido perché il vacuolo deve fare l’idrolisi acida delle molecole destinate alla distruzione. È delimitato da una membrana lipoproteica detta tonoplasto, è ricca di acquaporine che consentono il passaggio di acqua, e questo fa si che il vacuolo cambi il suo volume in maniera veloce; c’è abbondanza di ATPasi ovvero pompe protoniche che utilizzano l’energia dell’idrolisi dell’ATP per consentire il passaggio di ioni e formare H₃O⁺ all’interno e dare un pH acido. Le funzioni: è un lisosoma quindi ha la presenza di enzimi idrolitici che scindono proteine, acidi nucleici, zuccheri e lipidi; accumulano i metaboliti secondari, utili per la difesa e la comunicazione; hanno un ruolo di difesa perché consentono la precipitazione di sali inorganici, cioè all’interno vengono messi degli anioni e cationi tali che quando si uniscono danno un composto ionico che non si scioglie nel succo vacuolare e formano un solido. I sali servono a rendere il tessuto poco appetibile per i predatori, meccanismo di difesa contro i predatori. Il ruolo principale è quello di osmometro e di turgore cellulare, entrambi si basano sul turgore cioè la pressione che il vacuolo quando si gonfia esercita sulla membrana e quindi sulla parete; ruolo come osmometri - assorbimento dell’acqua da parte della cellula; tonoplasto in tensione e il vacuolo conferisce alla cellula la necessaria turgidità. Ha anche ruolo strutturale, le piante si tengono in piedi grazie ad un polimero organico che si chiama lignina e quindi grazie al turgore cellulare. Le foglie, i fiori e le piante erbacee basano la loro solidità meccanica sul turgore cellulare, le cellule si accrescono solo quando il turgore è sufficiente; il turgore cellulare nelle foglie mantiene i cloroplasti vicino alla membrana, gli apparati stomatici basano il loro meccanismo di apertura e chiusura su variazioni di turgore. PLASTIDI→ famiglia di organelli tipico delle piante: cloroplasti, leucoplasti e i cromoplasti. Si possono trovare tutti e tre nella cellula ma la presenza dell’uno o dell’altro dipende dal ruolo della cellula.  I cloroplasti: si trovano negli organi sintetizzanti, il vacuolo si gonfia per spingere i cloroplasti alla periferia della cellula, la forma dipende dal tipo di organismo, nelle piante superiori la forma è ovale, il numero di cloroplasti può essere 20-80 o 150-200. Nelle piante inferiori hanno forme variabili e dimensioni maggiori delle piante superiori. La struttura: hanno due membrane, esterna ed interna, simili ai mitocondri e al nucleo, però nei mitocondri la membrana interna non ha forma regolare ma ha le creste e partecipa alle reazioni; all’interno si trovano delle vescicole, tilacoide, hanno un’altra membrana, il liquido che si trova all’interno si chiama stroma, formata da pila di tilacoidi messi uno sull’altro forma grana, la struttura che li connette si chiama tilacoide intergrana. Fa la fotosintesi, organello di tipo metabolico che deve fare una reazione anabolica, trasformando anidride carbonica in glucosio richiedendo energia. Gli enzimi che fanno questa reazione si trovano sia sui tilacoidi sia sullo stroma perché sul tilacoide avviene la fase luminosa invece nello stroma avviene la fase buia, il prodotto finale è alla fine della fase buia. 16 Ci sono alcuni enzimi che si trovano sulla membrana e che si chiamano nei mitocondri enzimi di Krebs invece nei tilacoidi enzimi di Calvin Benson, hanno i ribosomi come nei mitocondri e ha DNA circolare procariotico. Composizione chimica: è composto da 40-60% di proteine, lipidi, clorofilla, carotenoidi, acidi nucleici (rRNA e DNA), sali. La clorofilla ha due porzioni, una policiclica che si chiama porfirina (4 anelli pirrolici legati insieme) e all’interno ha uno ione Mg₂⁺, porzione a 20 atomi di C e ha origine terpenica (se ha o no i metili) apolare e lineare, si chiama fitolo.  Leucoplasti: non fotosintetizzanti, sono di riserva, si dividono in amiloplasti, lipidoplasti, proteoplasti; li troviamo all’interno di cellule che si trovano in organi di riserva ad esempio i tuberi o i semi. Perché la patata è così grande? Perché ha più amilosio, occupa un maggiore volume.  Cromoplasti: tutti i colori di una pianta sono dovuti a molecole diverse dalla clorofilla contenuti nei cromoplasti il cui ruolo è quello di essere colorati. Funzione vessillare, interagire con l’ambiente esterno. Come si cambia il colore? Cambiando il pH, cambia il numero di elettroni che partecipano alla coniugazione, quindi da OH a O⁻, basta un acido o una base e cambia il colore. Conversione dei plastidi: nelle foglie che la pianta decide che non devono fare più la fotosintesi, i cloroplasti diventano cromoplasti, si interconvertono. L’Eme: come fanno le proteine e gli enzimi ad interagire con i gas? Le interazioni che potrebbero fare sono molto deboli, è una molecola piccola e selettiva; l’interazione che avviene tra biomolecole e gas non è a chiave serratura ma far interagire i gas con un metallo, è un composto o complesso di coordinazione. Avviene con una specie che è in grado di donare elettroni e una specie che li accetta, la specie che li accetta li mette in orbitali di tipo d, lo possono fare atomi che stanno dopo il secondo gruppo. Nel caso dell’Eme, l’accettore è lo ione Fe₂⁺ ha gli orbitali d liberi e hanno elettroni, ha valenza 6 ed è in grado di legare 2 specie, può fare 6 legami e accettare 6 coppie di elettroni; l’Eme li fa con l’atomo di azoto e fa 4 legami, ha altri 2 posti liberi, con l’orbitale libero da sotto coordina un altro atomo di N dell’amminoacido dell’emoglobina della catena laterale, ad esempio la lisina, e con l’altro lega l’O e si prende la CO₂ e la trasporta. La clorofilla: ha una struttura tetrapirrolica, la differenza è nell’atomo centrale che è il Mg₂⁺, ha valenza 4, non trasporta nulla ma stabilizza la struttura. Si trova all’interno della membrana dei tilacoidi, si ancora ad una membrana e serve da ancoraggio nella membrana e ha bisogno della catena lineare apolare. Sono molecole colorate, l’eme di rossa e la clorofilla di verde. Cosa conferisce il colore? La porfirina. Le molecole hanno la caratteristica di assorbire le radiazioni elettromagnetiche nell’intervallo di diverse lunghezze d’onda e questo assorbimento è quantizzato, corrisponde a due livelli energetici quando passa da quello più bassa a quella più alta. Il 1 livello energetico: traslazionale; 2 livello energetico: rotazionale e vibrazionale; 3 livello energetico: legame chimico; 4 livello energetico: energia di ionizzazione; 5 livello energetico: energie nucleari; queste sono tutte quantizzate e corrispondono alle energie delle molecole. La visibile corrisponde a quello dei legami covalenti, il livello energetico superiore viene chiamato livello * o di antilegame, corrisponde a sovrapporre orbitali atomici in fase o in antifase. Quali legami assorbono la radiazione elettromagnetica? 𝝅 ha più alta energia, perché è legame più debole, i passaggi che possono avvenire sono da σ a σ * e da 𝝅 a 𝝅*. La radiazione elettromagnetica corrisponde alla differenza di energia che c’è tra π e π*; devono avere dei doppi legami, quella con i legami singoli non può essere colorata. Man mano che aumenta il numero di doppi legami, cambia e si restringe sempre e l’assorbimento massimo aumenta, la radiazione elettromagnetica visibile corrisponde a 300 e deve avere molti doppi legami (10-11) coniugati altrimenti non assorbe. Il metallo influisce sul colore. Il pomodoro formato dal licopene, da trans diventa cis quindi da rosso diventa giallo, il licopene cis viene assorbito di più perché forma meno strutture aggregate che sono quelle assorbite. Perché la clorofilla è verde? Assorbe tutti i colori tranne il verde, dal rosso al violetto lasciando passare il verde. Ci sono due clorofille, clorofilla A e B, differiscono per CH₃ (A) e C=O (B), differiscono per quale gruppo funzionale si trova su uno degli anelli pirrolici, assorbono a massimi diversi perché i numeri di doppi legami sono diversi. Esperimento di Engelmann: aveva l’obiettivo di capire, il ruolo e l’importanza della clorofilla nella fotosintesi. Ha scelto un cloroplasto allunguato, un’alga unicellulare che ha 1 cloroplasto. Fa bombardare il cloroplasto con i colori elettromagnetici, osserva una crescita batterica nella zona del violetto e del rosso e in queste zone è avvenuta in modo più efficace la fotosintesi, è dove assorbe più radiazioni elettromagnetiche quindi dove c’è più fotosintesi e la clorofilla assorbe di più. All’interno del cloroplasto troviamo ribosomi 70S che sintetizzano proteina codificate dal DNA, questo DNA codifica circa 150 proteine, ha un’autonomia genetica parziale. Troviamo anche dei granuli di amido, è l’amido che corrisponde ad un giorno di lavoro del cloroplasto, amido “giornaliero”. I cloroplasti hanno una divisione indipendente da quella della cellula, si dividono per scissione dopo aver duplicato il proprio DNA. Teoria endosimbiontica: Lynn Margulis, sia i mitocondri sia i cloroplasti sono derivati da procarioti che hanno fatto una simbiosi all’interno delle cellule. Autonomia genetica parziale: se il cloroplasto codifica per le sue proteine, com’è che una parte del materiale genetico si trovano nel nucleo? Grazie al trasferimento genetico orizzontale. Quali sono le cellule che fanno la simbiosi? Prima la simbiosi dei mitocondri e poi i cloroplasti. 17 L’archeobatterio che ha ospitato un proteobatterio hanno fatto la prima cellula “eucariotica”. Questa fa la simbiosi con un cianobatterio, un batterio che è in grado di fare la fotosintesi creando cellule autotrofe. Sono nati prima gli eterotrofi. Fitocromo: molecole deputate all’assorbimento della luce, ma non direttamente correlate alla fotosintesi. Sono formate da proteine e da una molecola che assorbe le radiazioni elettromagnetiche. Un complesso pigmento (colorato) proteina, ad esempio l’occhio umano. Capisce se c’è la radiazione elettromagnetica ma per fare la regolazione dei processi c’è la luce. Questo pigmento è collegato alle porfirine. LA CELLULA FUNGINA: sono organismi eterotrofi, sono assenti i plastidi, sono sessili e si nutrono perché o sono simbionti o parassiti o saprofiti. I funghi sono i principali saprofiti delle strutture vegetali, possono digerire la cellulosa e la materia cellulare, sono privi di clorofilla e hanno i vacuoli e quindi la parete che però non è cellulosica ma hanno un altro polisaccaride, la micosina, ricco di ammino-zuccheri e affine alla chitina. Il ruolo dei vacuoli è collegato al turgore cellulare che tiene in piedi il fungo. I funghi possono essere unicellulari e pluricellulari, unicellulari sono i lieviti, possono vivere aggregati in colonie, il più importante è Saccharomyces cerevisiae ed è il principale organismo che fa la fermentazione alcoli, è una cellula eucariotica che è anerobio facoltativo; i pluricellulari formano dei tessuti in cui le cellule sono aggregate che si chiamano IFE, può essere settata o cenocitica cioè si fondono tutte le cellule e si crea una grande cellula con tanti nuclei (micelio). I pluricellulari si divino in due categorie: semplici e complessi; i semplici si chiamano muffe (Penicillium) e sono famosi come produttori di farmaci come gli antibiotici, i complessi si chiamano ascomiceti (tartufi e Claviceps purpurea) e basidiomiceti e sono i riciclatori della biomassa vegetale. o Licheni: sono una simbiosi tra un fungo pluricellulare basidiomicete e un’alga o un cianobatterio, è stato scoperto un terzo partner, un lievito che produce metaboliti secondari che aiutano i licheni contro i predatori ed i microbi. l fungo favorisce l’assorbimento e la conservazione dell’acqua e dei nutrienti, l’alga provvede alla fotosintesi. TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA PLASMATICA: regola il passaggio di sostanze. Definizioni importanti: la concentrazione è la quantità di sostanza disciolta in un solvente presente all’interno di una soluzione e si misura con numeri di moli sciolti in 1L e l’unità di misura è la molarità. Viene indicata con due parentesi quadre; la trasformazione spontanea porta ad una diminuzione di energia libera tra reagenti e prodotti, l’energia libera ha due componenti energetiche: entalpia cioè quanta energia si scambia nella trasformazione; entropia è collegata allo stato del sistema e cioè di quante variabili ho bisogno per descrivere un sistema, più ho bisogno di variabili più è grade il sistema, energia libera tiene conto di queste due variabili che devono essere bilanciate; il gradiente di concentrazione (gradiente elettrochimico) tendenza spontanea delle zone di maggiore concentrazione a passare a quelle di minore concentrazione, questo passaggio porta ad una diminuzione dell’entropia e dell’energia libera; è una forma di energia; la differenza tra diffusione ed osmosi, diffusione è quando le molecole di soluto si spostano da > a < concentrazione; osmosi è quando le molecole di solvente che si spostano < a > concentrazione, sempre con lo scopo di eguagliare le concentrazioni. Come entrano le molecole attraverso le membrane? Con la diffusione. I processi sono tre: diffusione semplice cioè la molecola è in grado di attraversare la membrana plasmatica, diffusione facilitata cioè la molecola non è in grado di attraversarla ma ci riesce grazie a delle proteine, e ci sono due categorie: canali e vettori o proteine carrier, e l’ultima è trasporto attivo cioè vuole trasportare molecole contro gradiente e richiede utilizzo di energia. DIFFUSIONE SEMPLICE→ riescono a passare l’acqua e pochissimi soluti. La molecola deve essere piccola per attraversare la membrana (es. etanolo o glicerolo, il glucosio NO), la molecola deve avere una discreta solubilità nei lipidi e carica ionica: le sostanze neutre passano più velocemente, le cariche respinte sono quelle negative e le positive passano più facilmente; la forma delle molecole è importante e la forma globulare è favorita perché diminuisce il volume e le interazioni che fa con la membrana, meglio delle asimmetriche. Sia H₂O e i gas (O₂ e CO₂) attraversano la membrana a velocità elevate da soddisfarne le esigenze. DIFFUSIONE FACILITATA→ passaggio attraverso la membrana secondo gradiente attraverso le proteine.  Le proteine canale: sono proteine integrali di membrane che creano un canale di passaggio preferenziale per le molecole, all’interno troviamo quelle non gated channels e le gated channels. L’esempio di canale sempre aperto sono le acquaporine, capaci di far passare 3mld di molecole al secondo. Le gated channels è quando il canale mantiene la sua forma ma si apre quando riceve uno stimolo, sono canali ionici cioè quando si aprono fanno entrare ioni. Si dividono in tre sottoclassi e differiscono per quale stimolo li fa aprire: a. stimolato da ligandi, questo si lega alla membrana e la proteina cambia la sua struttura terziaria e da chiusa diventa aperta, sempre secondo gradiente; b. stimolato dal voltaggio, si apre quando cambia il potenziale elettrico (depolarizzazione della membrana), da -70mV, il potenziale di riposo, quando arriva l’impulso elettrico il potenziale cambia e arriva a -40mV, i canali si aprono perché c’è un cambio di cariche (ad es. il sistema nervoso). La differenza di potenziale è creata dalla pompa sodio-potassio; 20 Energia libera ha come componente l’entalpia e l’entropia, una reazione è favorita quando la somma di questi aspetti è <0, perciò l’energia libera si abbassa. L’energia cinetica risponde alla domanda in quanto tempo avviene questa reazione? Benchè favorita una reazione deve avvenire in modo veloce. Diagramma di reazione o coordinata di reazione, ciò che succede in una reazione chimica, sulle ascisse c’è il tempo e sulle ordinate l’energia, l’energia libera dei prodotti – l’energia libera reagenti <0, la reazione è favorita. Per andare dai reagenti ai prodotti si deve seguire un percorso che si chiama meccanismo di reazione, nel seguire questo meccanismo si arriva ad un punto in cui c’è l’energia più alta di tutti, questo punto si chiama stato di transizione o complesso attivato, arriviamo ad un punto in cui non c’è il legame del reagente e non si è ancora formato quello del prodotto quindi c’è alta energia. Per far avvenire la reazione nonostante sia energeticamente in discesa ci vuole energia. Se lo stato di transizione è molto alto ci vuole più tempo affinchè le molecole raggiungano il punto alto perciò la reazione è lenta. I CATALIZZATORI E GLI ENZIMI: un catalizzatore modifica il meccanismo della reazione, in maniera tale che il nuovo meccanismo abbia una energia di attivazione più bassa e velocizza la reazione. Si dividono in omogenei e eterogenei. Omogenei: quel catalizzatore che si scioglie nel solvente in cui avviene la reazione; eterogenei: quel catalizzatore che non si scioglie in acqua ma sulla superfice avviene la reazione, indebolisce i legami del reagente. Ad esempio H₂O₂ →H₂O +O₂ è esotermica, è favorita ma lenta; se aggiungiamo il Br₂ alla H₂O₂ diventano 2 passaggi con un energia di attivazione più bassa. I catalizzatori sono necessari in piccole quantità perché alla fine della reazione il catalizzatore viene restituito tale e quale a prima.  Gli enzimi: sono proteine che hanno il ruolo di facilitare le reazioni biologiche comportandosi sia da catalizzatori omogenei che eterogenei, accellerano le reazioni perché agiscono su un parametro che influenza la velocità della reazione che è l’efficacia degli urti. Come fa? L’enzima individua una tasca, sito attivo, nel quale si inserisce il substrato (che sarebbe la molecola che deve reagire), questo substrato è specifico per quel sito attivo; la specificità si ottiene in due modi una è un specificità di forma ma poi ci deve essere una complementarietà di forze intermolecolari, perché il substrato stabilisce interazioni con gli amminoacidi. L’enzima avvicina tra di loro i substrati nel punto in cui devono reagire.  Regolazione enzimatica: consente di ottenere una regolazione delle vie e di far si che avvenga un metabolismo in una direzione piuttosto che in un’altra. Il 1° modo: costante di affinità → enzimi diversi che competono per uno stesso substrato, la loro competizone è regolata in base alla loro differente costante di affinità, questa misura la concentrazione del substrato oltre la quale la reazione enzimatica parte. Il 2° modo: attivazione per derivatizzazione → un enzima può non essere necessario sempre, l’enzima normalmente è in una forma inattiva e deve essere derivatizzato (es. fosforilazione). Il 3° modo: inibizione competitiva → due molecole che competono per lo stesso substrato, quando voglio farli reagire abbasso la concentrazione di uno e l’enzima reagisce con l’altro, è una reazione sia fisiologica che farmacologica.Il 4° modo: allosteria → sull’enzima, oltre al sito attivo, ci sono altre zone sulle quali può interagire una molecola, c’è una terza molecola che può andare a regolare l’attività dell’enzima, si va a legare su in sito diverso dal sito attivo che si chiama sito allosterico, in questo sito ci può esssere un attivatore o un inibitore dell’enzima, l’attivatore porta ad una attività maggiore dell’enzima invece l’inibizione lo blocca. Succede che quando questo composto allosterico va nel sito allosterico, se si tratta di uno stimolare, il legame allosterico apre il sito attivo e fa entrare il substrato, quando c’è l’inibizione il sito è aperto e l’inibitore si lega e chiude il sito così la reazione è impedita. Ad esempio, se nella cellula c’è molto ADP, inibitore e stimolatore allosterico, vuol dire che molto ATP è stato utilizzato. L’enzima che va verso il catabolismo ha bisogno di ADP.  Vie metaboliche: sequenza di reazioni nella quale il prodotto della reazione precedente diventa il substrato di quella successiva. Sono consequenziali. Possono avvenire in un solvente, dispersi nel citosol o nella matrice mitocondriale, o è bloccata su una membrana. Le membrane sono associate ad una forma di energia, il gradiente elettrochimico; quindi le reazioni metaboliche avvengono sulle membrane quando sono associate alla creazione di un gradiente elettrochimico. Le vie metaboliche possono essere cicliche, perché il prodotto dell’ultima reazione è il substrato della prima e quindi si chiude il ciclo, ad esempio il ciclo di Krebs e di Calvin- Benson.  Regolazione delle vie metaboliche: si regolano regolando gli enzimi dei passaggi iniziali perché se la voglio stimolare, la reazione avviene; se la voglio bloccare, si blocca tutti il processo. A bloccare i primi passaggi è proprio il prodotto finale che agisce da regolatore allosterico. Ruolo della costante di affinità: quando un molecola supera una certa concentrazione blocca il processo. IL METABOLISMO: reazioni chimiche che avvengono nella cellula con due scopi, quello di demolire il materiale per trarre energia e quello di costruire molecole più complesse; questi due processi sono collegati tra di loro e si chiamano catabolismo il primo e anabolismo il secondo. Come reazione anabolica c’è la fotosintesi. L’obiettivo della demolizione è quella di produrre energia per la cellula, l’energia può anche servire per l’anabolismo. L’energia liberata da queste reazioni deve essere convertire in qualcosa di spendibile nel tempo. Questa molecola spendibile è l’ATP. Le reazioni cataboliche producono ATP, le reazioni anaboliche hanno bisogno di ATP. Le reazioni cataboliche sono reazioni di ossidazione, quelle anaboliche sono delle riduzioni. Quando ci accorgiamo che un substrato si è ossidato o si è ridotto? 21 Si ossida quando diminuiscono il numero dei legami C-H; si è ridotto quando aumentano il numero dei legami C- H. Quando il numero dei legami C-O o C-N aumenta la molecola si è ossidata, quando diminuisce si è ridotta. Ci dobbiamo chiedere chi fa le ossidazioni e le riduzioni? Ci sono delle molecole ossidanti o riducenti universali. L’ossidante universale è NAD⁺ o FAD; il riducente universale è NADH. Il NAD, nicotinammide (B₃) adenin dinucleotide, appartiene ai coenzimi, cioè una molecola organica che partecipa all’attività dell’enzima; partecipano alla reazione ma non sono enzimi. Derivano dalle vitamine idrosolubili. La molecola del NAD⁺ contiene un pezzo dell’adenosina difosfato, 2 ribosio che non partecipa alla reazione. Quello che partecipa alla reazione è *, è un anello aromatico solo che ha N che ha 4 legami e ha la carica positiva, da qui il nome NAD⁺. A cosa serve il pezzo che non partecipa alla reazione? Dà l’idrosolubilità, l’anello a 6 non si scioglierebbe; aumenta la possibilità che il sito dell’enzima sia specifico. Questo è un ossidante quindi si deve ridurre, perciò deve accogliere degli H⁻ diventando NADH che non ha più carica +, questa molecola è un riducente quindi cede H⁻ e diventa NAD⁺. Nelle cellule oltre al NAD troviamo anche NADP che è NADPH nella versione ridotta e vuole dire che legato al ribosio c’è un gruppo fosfato che è coinvolto in reazioni specifiche. L’altra struttura ossidante e riducente è il FAD, flavin adenin dinucleotide, è simile al NAD perché ha adenina ribosio e difosfato, il sistema che si ossida o riduce è la riboflamina. Fanno reazioni specifiche, il NAD sposta un solo H, il FAD ne sposta 2 per volta infatti nella sua versione ridotta si chiama FADH₂. Esempio la riduzione degli acidi grassi insaturi a saturi. * La molecola energetica: ATP. È una molecola energetica, è simile ad un costituente dell’RNA, ha il ribonucleotide, ci sono 3 gruppi fosfato legati tra di loro. Il 1° legame lo fa l’alcol dello zucchero in posizione 5 con il gruppo fosfato e forma un legame estereo quindi legame fosfoestereo, gli altri due legami, quello fra il 1° e il 2° fosfato e quello tra il 2° e il 3° fosfato; sono legami tra due acidi e si chiama legame anidridico, quindi fosfoanidridici. Un legame fosfoanidridico ha più alta energia, più instabile, di uno fosfoestereo. Tra il 2° e il 3° ha più alta energia rispetto al 1° e 2°, quello più esterno, la motivazione risiede nella condizione specfica, di repulsione tra cariche elettriche, cioè rende l’ultimo legame più energetico di tutti, ha un ∆G= 7,3kcal/mol. L’ATP serve a dare energia per fosforilare le proteine, quindi il gruppo fosfato viene legato a dei substrati che diventano fosforilati, quindi trasferisce un gruppo fosfato. Attività favortie dall’ATP: lavoro di trasporto, hai una proteina che nella versione fosforilata riesce a trasportare contro gradiente; lavoro meccanico, tutte le proteine che connettono organelli, vesciole sul citoscheletro fanno il movimento grazie all’ATP; lavoro chimico, certe reazioni non avvengono perché i reagenti hanno un’energia più bassa dei prodotti o perché sono lente quindi lo stato di transizione è troppo alto, in entrambi i casi il substrato può essere fosforilato, cioè viene portato ad un livello energetico più alto e può consentire delle reazioni, le reazioni avvengono quando i prodotti hanno energia più bassa di quella dei reagenti, se vogliamo che altre reazioni avvengono dobbiamo portare i reagenti a livello energetico più alto attraverso una fosforilazione. RESPIRAZIONE CELLULARE: intendiamo quella serie di processi in cui un substrato, tipicamente un glucosio, viene ossidata ad opera dell’O e in questa reazione si produce andride carbonica e acqua, è una reazione esoergonica, lo scopo è liberare l’energia. I prodotti che si liberano, non sono quelli desiderati. Per ogni mole di glucosio, vengono liberate 686 kcal con la formazione di circa 28-38 molecole di ATP. Circa, perchè a seconda di come avviene il processo si formano più o meno molecole di ATP. Il glucosio si ossida, l’O lega più H e quindi si è ridotto. La reazione deve avvenire in maniera graduale, così è possibile immagazizzare l’energia in molecole di ATP. Per farla avvenire gradualmente significa far avvenire una serie di processi controllati e ossidativi e avere un sistema che è in grado di formare ATP. Il processo è costituito da 3 fasi: glicosi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. L’ossidante che utilizziamo è il NAD⁺. Compartimenti: la prima fase avviene nel citosol cioè enzimi sciolti nel liquido cellulare; le altre due fasi avvengono nel mitocondrio. La molecola che entra dentro al mitcondrio è l’acido piruvico cioè il prodotto della glicolisi. L’ATP viene prodotto in tutte e tre le fasi, la maggior parte, il 70% circa, viene prodotto alla fine. GLICOLISI: avviene nel citosol, non è necessario l’O quindi l’ossidante è sempre NAD⁺, è anaerobica. Il glucosio viene trasformato in acido piruvico, l’acido piruvico ha 3 atomi di C, ha un chetone e un acido, per ogni equivalente di glucosio se ne formano due di ATP. Il glucosio oscilla tra  e  perché siamo in una soluzione acquosa. Per far avvenire la trasformazione ci vogliono 10 reazioni. Vengono divise in due metà, la prima fase non viene sintetizzata manco una molecola di ATP, fase di investimento energetico; la seconda fase libera l’ATP investito nella prima fase ma ne libera di più, il bilancio è positivo, si produce ATP. 22 La prima reazione: è ad opera dell’esochinasi che consuma il primo equivalente di ATP e lega un gruppo fosfato in posizione 6 per cui si forma il glucosio 6 fosfato, questo investimento energetico serve a mantenere il glucosio nella reazione, l’esochinasi è l’enzima che nel sito attivo avrà un sito per il glucosio e avrà un altro sito vicino per l’ATP. Nell’uomo ci sono 4 isoforme di esochinasi con funzioni anaboliche e cataboliche. L’insulina stimola nel fegato l’espressione dell’enzima glucochinasi, è l’enzima anabolico che sintetizza il glicogeno. La costante di affinità della glucochinasi rispetto alla esochinasi deve essere più alta. La seconda reazione: è glucosio 6 fosfato, fruttosio 6 fosfato. Differiscono tra di loro per C1 e C2; nel fruttosio il C1 è più ridotto e il C2 è più ossidato. Quindi sembra che servirebbe NAD⁺ e NADH ma i siti non ci sono quindi l’enzima non ne ha bisogno. Quindi com’è possibile che il glucosio diventa fruttosio? La terza reazione: quando il fruttosio 6 fosfato diventa fruttosio 1,6 bifosfato; l’enzima si chiama fosfofruttochinasi e consuma il 2° equivalente ATP. La quarta reazione: la molecola di fruttosio 1,6 viene diviso in due, dando molecole a 3 atomi di C cioè gliceraldeide 3-fosfato e diidrossiacetone fosfato. La quinta reazione: diidrossiacetone diventa gliceraldeide 3 fosfato; hanno l’enolo in comune, l’enzima si chiama isomerasi fa lo stesso lavoro della reazione 3. Sposta un chetone verso un’aldeide. Abbiamo ottenuto due equivalenti di gliceraldeide 3 fosfato. Nella fasi successive avvengono le reazioni di ossidazione. Si ossida e si produce ATP. La reazione 6: è una reazione combinata nella quale la gliceraldeide 3 fosfato ad opera del NAD⁺ viene ossidata e diventa 3 fosfoglicerato che sarebbe l’acido corrispondente. La reazione che fa dall’aldeide all’acido è fortemente esotermica quindi la molecola prende un fosfato inorganico e utilizzando l’energia che si è liberata dalla reazione esotermica, lo lega all’acido formando un legame fosfato, legame anidridico misto, sia al carbonio sia al fosforo. Il prodotto della reazione è 1,3 difosfoglicerato. La reazione 7: prende l’ADP e lo trasforma in ATP mettendo il P in posizione 1. La reazione 8: il 3 fosfoglicerato diventa 2 fosfoglicerato, il P viene spostato in posizione 2. La reazione 9: la molecola viene disidratata e si forma il fosfoenolpiruvato. La reazione 10: si ottiene il piruvato, togliendo il fosfato si dà all’ADP e diventa ATP. Fortemente favorita per arrivare alla forma chetonica. Nella seconda fase la 6° è di ossido-riduzione, nella prima fase 2 equivalenti del glucosio sono stati investiti, nella seconda fase l’ATP si sintetizza in due parti, nello stp 8 e nello step 10. Si consumano due equivalenti di ATP e se ne producono 4, il bilancio finale è il doppio. L’ATP è la molecola a più alta energia?Almeno due hanno più alta energia dell’ATP, sono in grado di sintetizzare l’ATP, sono 1,3 difosfoglicerato e fosfoenolpiruvato. Riescono a sintetizzare l’ATP. Hanno più alta energia perché hanno legami instabili e ad alta energia, sono il legame fosfoanidridico e l’enolo bloccato sottoforma di fosfato. La molecola di scambio energetico non deve essere estremamente reattivo, deve essere facilmente sintetizzabile, stabile e solubile; queste molecole non hanno queste caratteristiche. L’ATP è la più stabile e malleabile ma non la più energetica. Questo modo di sintetizzare l’ATP si chiama fosforilazione a livello del substrato.  Controllo della glicosi: è una via metabolica; devo bloccare i primi passaggi per bloccare tutta la glicolisi. I punti di regolazione migliori sono quelli che consumano ATP quindi l’esochinasi, se non fosse che non serve solo alla glicosi, perciò è fosfofruttochinasi che l’elemento centrale perché è un enzima allosterico. Effettore allostercio positivo è AMP; inibitori allosterici sono ATP e citrato. Un eccesso di ATP si lega al sito allosterico negativo fa cambiare conformazione alla proteina enzimatica che non accoglie più il substrato e blocca la via metabolica. L’ATP è sia substrato che inibitore, dipende dalla concentrazione di ATP e dall’affinità che i siti attivo e allosterico hanno con l’ATP.  Via di entrata nella glicolisi: modo con cui i vari metaboliti, soprattutto zuccherini, entrano nella via della glicolisi. Il lattosio, c’è bisogno di un ezima che si chiama lattasi che scinde il lattosio in galattosio e glucosio. Il galattosio è l’epimero in 4 del glucosio. Diventa anche questo glucosio 6 fosfato. Carbonile esiste sotto due forme, la normale e la enolica, enolo è una forma in equilibrio col carbonile, la forma enolica è meno stabile di quella carbonilica, si chiama enolo perché c’è alchene e alcol. Hanno l’enolo in comune, l’enzima sposta gli equilibri, rende il glucosio enolo e poi trasforma enolo in fruttosio. Non è una reazione di ossido-riduzione. L’enzima si chiama isomerasi. Fosfoenolpiruvato è derivato fosforilato di un enolo, ovvero dell’acido piruvico. Non può diventare acido piruvico perché ci manca un H sull’O, quindi è bloccato. 25 L’ultimo dei citocromi reagisce con un gas che ha come substrato un gas, tramite complesso di coordinazione. Lo ione CN e CO bloccano questo passaggio, si confondono con l’O e ingannano il Fe, sono veleni mitocondriali. La citocromo ossidasi è il sito dove si concentra più O, se non avviene in maniera completa si possono produrre dei radicali reattivi all’O (ROS) che sono molecole segnale, pericolose perché possono danneggiare le strutture cellulari causando lo stress ossidativo.  Bilancio protonico della catena di trasporto: l’energia deriva dal fatto che son tutte reazioni esotermiche ma nessuna ha ancora sintetizzato ATP, hanno creato un gradiente protonico con un eccesso di protoni all’interno dello spazio inter-membrana. Complesso I – gli H liberati dall’NADH vengono pompati nello spazio inter-membrana come H⁺, prende energia dalla reazione redox che è spontanea. Complesso II – gli H liberati dal FADH₂ vengono tutti utilizzati per la formazione dell’ubichinolo dall’ubichinone – anche per il complesso I. Complesso III -rigenerando l’ubichinone dall’ubichinolo libera protoni nello spazio intermembrana. Complesso IV – consuma protoni dalla matrice contribuendo a creare il gradiente protonico. TEORIA CHEMIOSMOTICA DI MITCHELL: l’energia di questo eccesso di ioni H⁺ che si trova nello spazio inter-membrana e che spinge verso la matrice e che non ci può andare perché la membrana non è permeabile e questa spinta è la forma di energia che viene convertiva in sintesi di ATP, affinché questa teoria fosse accettabile bisognava trovare un sistema di conversione del gradiente elettrochimico in sintesi di ATP. Com’è possibile? Tramite l’isolamento di un enzima F0F1 ATPasi, la macchina più piccola che si conosca, ha 2 subunità, F0 si trova all’interno della membrana mitocondriale interna, F1 si trova dalla parte della matrice. I protoni entrano all’interno della subunità F0 provocando una sua rotazione meccanica, questa proteina si carica come una specie di molla. Come può una proteina girarsi? All’interno della subunità F0 sono posizionati uno vicino all’altro amminoacidi basici, se cadono i protoni gli amminoacidi si caricano positivamente e si respingono, nel respingersi la proteina si gira; la subunità Fo ha trasformato l’energia del gradiente in energia meccanica. Ora entra in gioco la subunità F1 che è in grado di assorbire l’energia meccanica e di ritrasformarla in energia chimica, e quindi di riattaccare il gruppo fosfato all’ADP utilizzando l’energia meccanica. La rotazione dell’F0 porta l’F1 ad un livello di energia così alto che è in grado di trasferire energia e legare il fosfato all’ADP.  Esperimenti di Jagendorf e Uribe: il primo esperimento è per verificare che un gradiente protonico è necessario per la sintesi dell’ATP. Hanno isolato un mitocondrio e lo hanno messo a pH 9, basico, dopo un po’ di tempo ha reso basico il pH della matrice, dello spazio inter-membrana e il pH esterno. Hanno preso il mitocondrio e lo hanno messo a pH 7, neutro, e hanno osservato una sintesi di ATP; cioè che anche in assenza del trasporto degli elettroni basta che crei un gradiente protonico e i mitocondri sono in grado di sintetizzare ATP. Hanno capito che la catena di trasporto degli elettroni aveva come obiettivo la creazione del gradiente protonico e che se tu sei un grado di creare un gradiente in modo artificiale ottieni la sintesi di ATP. Seconda parte dell’esperimento, per fare ciò è necessaria una macchina, F0F1 ATPasi. Hanno preso la macchina e l’hanno messa su una vescicola qualsiasi, hanno creato un gradiente artificialmente e hanno visto che venina sintetizzato ATP; quindi anche il mitocondrio non è indispensabile. o Come mai le creste sono funzionali al sistema? I motivi sono 3: 1. perché puoi mettere più sistemi, aumenta la superfice e la presenza delle creste consente di metterne sempre di più; 2. perché si deve formare un gradiente, e la concentrazione è data dalla moli delle specie diviso il volume allora noi non dobbiamo considerare tutto il volume perché non si creerebbe un gradiente, quindi la forma a cresta della matrice mitocondriale interna crea una specie di sacca nella quale localmente può aumentare la concentrazione di protoni, quando consideriamo il volume dobbiamo considerale quello della singola cresta che è un piccolo recipiente a parte e quindi diminuendo il volume cresce la concentrazione; 3. F0F1 ATPasi si trova dal lato opposto della cresta, quindi i protoni vengono sputati fuori dai complessi e contemporaneamente entrano nella F0F1 ATPasi, c’è una produzione diretta purché venga mantenuto il gradiente di concentrazione, quindi consentono anche la disposizione strategica delle proteine nelle creste mitocondriali.  Bilancio energetico finale: quanto ATP è stato sintetizzato? 2 equivalenti di ATP nella glicolisi per la fosforilazione del substrato; 2 equivalenti di ATP nel ciclo del dell’acido citrico per fosforilazione a livello del substrato; 32 o 34 equivalenti di ATP nella fosforilazione ossidativa, e sono 32 o 34 a seconda di quale sistema navetta trasporta gli elettroni dal NADH citosolico. In totale per un glucosio si dovrebbero produrre al massimo 36 o 38 equivalenti di ATP a seconda dello shuttle. Se ne dovrebbero produrre di meno perché nelle cellule eucariotiche il gradiente di protoni serve anche per il simporto di piruvato e per altri processi di trasporto (come ATP traslocasi) e si crea meno ATP quindi 30-32. Inoltre alcuni H⁺ possono diffondere senza passare per la pompa F0F1 (dispersione del gradiente protonico). Oppure altri protoni si disperdono per un altro fatto, cioè l’ATP-ADP translocasi.  L’ATP-ADP translocasi: sono le proteine che si sono evolute durante la eucariogenesi, perché la necessità di spostare ATP al di fuori della cellula non c’era prima, quindi far diventare una cellula eucariotica nell’endosimbiosi, cioè con il mitocondrio che diventa laboratorio cellulare, implica che bisogna far uscire fuori l’ATP. Quello che fa questa proteina è uno scambio, fa uscire l’ATP fuori e fa entrare l’ADP dentro. 26 L’ATP ha una carica negativa in più rispetto all’ADP quindi il suo trasporto all’esterno ha conseguenze sul bilancio di carica e neutralizza parzialmente il gradiente protonico. METABOLISMI: tutti i processi descritti, avvengono in tutte le cellule? Avviene nelle cellule eucariotiche aerobiche, sia degli animali che delle piante. I batteri non hanno i mitocondri, in teoria non possono farli, ma i mitocondri prima di essere mitocondri erano batteri, alcuni batteri riescono a fare tutti i processi solo che non la fanno nei mitocondri; hanno bisogno di enzimi e di un sistema di membrane. Sono i batteri aerobi che fanno la respirazione cellulare, si chiama mesosoma la parte di membrana nella quale avviene. Ci sono altri due metabolismi, la respirazione anaerobia, cioè tutto il sistema è uguale ma l’ossidante finale non è l’O ma un altro ossidante; avviene solo con alcune specie che vivono in ambienti poveri di O ma ricchi di altri ossidanti per esempio nitrato o solfato. Infine la fermentazione, riguarda le cellule con impossibilità di effettuare la respirazione, queste cellule devono ricavare l’energia dalla glicolisi, il processo in più che devono inventarsi deve sostituire le altre reazioni e devono rigenerare il NAD così che può avvenire un altro ciclo di glicolisi; ad esempio i batteri anaerobi obbligati o facoltativi, i funghi unicellulari come i lieviti e alcune cellule eucariotiche. LA FERMENTAZIONE: i 3 principali sono la fermentazione lattica, alcolica e butirrica. La fermentazione lattica prevede la glicolisi, la rigenerazione del NAD avviene ad opera del piruvato, il piruvato reagisce con l’NADH e rigenera il NAD, il piruvato in questo modo diventa acido lattico o lattato. La fermentazione alcolica prevede la glicolisi, la rigenerazione del NAD avviene ad opera del piruvato, la reazione prevede la liberazione di CO₂ e di alcol etilico. La fermentazione butirrica da piruvato si forma CoA che reagisce con un’altra unità di CoA e in questa reazione coinvolge l’NADH e FADH₂ che diventano NAD e FAD e si forma l’acido butirrico, quello che dà l’odore di burro rancido.  La fermentazione lattica: la rigenerazione del NAD avviene col piruvato che reagisce con il NADH e dà il NAD, l’ossidante è quindi il piruvato e avviene una riduzione; il chetone del piruvato diventa alcol e si forma il lattato o acido lattico; i batteri fanno la fermentazione lattica, il più famoso è Lactobacillus/Streptococcus; anche alcune cellule animali come le cellule muscolari che utilizzano O₂ più velocemente di quanto venga fornito dal sistema circolatorio. Nelle nostre cellule esistono 5 isoforme di LDH (lattato deidrogenasi). Ci sono una serie di processi che sfruttano la fermentazione lattica, la formazione dello yogurt o dei crauti, l’acidità liberata dall’acido lattico ha un effetto sulle proteine e quindi si forma la consistenza dello yogurt, le proteine del latte perdono la struttura tridimensionale e danno la consistenza.  L’effetto Warburg: ha scoperto che molte cellule cancerose, di molti tumori non fanno la glicolisi ma la fermentazione lattica e la fanno anche se non sono in carenza di O, la chiama glicolisi aerobica, glicolisi perché queste cellule ricavano energia solo dalla glicolisi; aerobica perché è una fermentazione che però avviene in presenza di O. Si dice effetto Warburg quell’effetto in base al quale quelle cellule cancerose, in presenza di O, ricavano energia dalla fermentazione lattica. La prima ipotesi è che la cellula tumorale ha un danno nei mitocondri, ma in realtà la cellula cancerosa deve avere una certa energia e deve far anabolismo piuttosto che il catabolismo perché deve fare delle sintesi, quindi non ha interesse a demolire la molecola di glucosio fino a CO₂. Ha una serie di conseguenze, le cellule tumorali accumulano più glucosio delle altre perché non lo demolisce fino alla fine questo fatto viene sfruttano nella PET, in altre cellule non tumorali, come i linfociti T che presentano effetto Warburg, si dà all’organismo un glucosio marcato e le cellule alle quali si dà questo glucosio marcato sono tumorali.  La fermentazione alcolica: il piruvato viene decarbossilato e poi viene ridotto; diventa prima aldeide e poi alcol così abbiamo ottenuto l’etanolo. Simile alla decarbossilazione ossidativa, questa è una decarbossilazione riduttiva; il prodotto è l’etanolo e la CO₂. Questa fermentazione la fanno i lieviti. Il Saccharomyces ellipsoidens per il vino; Saccharomyces cerevisiae per la birra. Nella panificazione, la fase della lievitazione si avvale della fermentazione operata da Saccharomyces (CO₂ ed etanolo si allontanano durante la cottura). Anche le piante superiori in assenza di O2 attuano la fermentazione alcolica (es. semi, radici immerse in acqua). FOTOSINTESI: l’obiettivo della fotosintesi, stiamo lasciando il catabolismo e arriviamo all’anabolismo, è effettuare una reazione anabolica quindi di riduzione che ha bisogno di energia. La reazione di riduzione è 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, l’obiettivo è sintetizzare il glucosio. Perché la pianta ha bisogno di glucosio? Perché è un organismo autotrofo quindi non può assorbire glucosio da fonti alimentari, ma anche per la sintesi delle proprie strutture. La reazione è la reazione inversa della respirazione cellulare, quindi in linea di principio ha bisogno di 38 ATP. L’energia che si utilizza per far avvenire questa reazione è l’energia luminosa. Noi sappiamo che ci sono molecole che sono in grado di interagire con la radiazione luminosa e sono esattamente le molecole colore che catturano una parte della radiazione elettromagnetica. Quali sono i siti della fotosintesi? A livello di organello avviene nei cloroplasti; si divide in 2 fasi, la fase luminosa e la fase buia. La fase luminosa si chiama così perché è la fase nella quale la radiazione elettromagnetica viene assorbita nei pigmenti; la fase buia si chiama così perché avviene indipendentemente dalla luce. Le due fasi sono separate la 1° avviene sul tilacoide, la 2° avviene all’interno dello stroma, della parte liquida del cloroplasto; questa fase avviene all’interno di cellule ricche di cloroplasti, che si trovano nella foglia, che contiene due tipi di cellule, cellule sistema in maniera ordinata che si chiama mesofillo (tessuto) a palizzata, sotto c’è un mesofillo più disordinato che si chiama mesofillo spugnoso. 27 I fasci vascolari devono portare acqua, sono uno dei reattivi della fotosintesi. Il tessuto epidermico è isolato, pieno di cere e non consente il passaggio dell’acqua ma deve essere attraversato dalla radiazione elettromagnetica. Questo processo prevede scambi gassosi, CO₂ che deve entrare e O che deve uscire, i gas escono dagli stomi ed entrano per diffusione. Nella 1° fase, fase luminosa o reazione alla luce, l’intermedio è sempre il NAD che si occupa di produrre il riducente, NADH, che serve dopo. L’acqua riduce il NAD che dà il NADH e l’acqua si ossida diventano O₂. Nella 2° fase, ciclo di Calvin Benson o reazione al buio, avviene la riduzione della CO₂, che entra come substrato, che diventa glucosio, a scapito del NADH che ridiventa NAD. La fase luminosa è l’inverso della catena di trasporto degli elettroni che produceva una grossa quantità di energia perché era favorita; quindi questa è sfavorita, endotermica e ha bisogno di energia. La fase buia non è favorita perché è l’inverso della glicolisi + ciclo di Krebs, non è spontanea, ha bisogno di ATP, lo prende dalla fase luminosa perché se ne produce di più di quanto ne serve nella fase 1. La fase luminosa sintetizza l’ATP, sulla membrana del tilacoide, tramite F0F1 ATPasi, fosforilazione al livello del substrato. Ogni volta si abbassa il 𝜹 perché nel trasferimento si perde un po’ di energia, ma questa dispersione è organizzata in maniera tale che l’energia disponibile è esattamente quella che serve al pigmento successivo fino ad arrivare al centro di reazione. Il fotosistema è un aggregato proteico di pigmenti in cui ci sono dei pigmenti che captano la radiazione e poi viene trasferita arrivando al centro di reazione dove avviene un trasferimento elettronico. All’interno del fotosistema si trovano la clorofilla a e b che hanno tutti δ differenti e assorbono quindi a lunghezza d’onda diverse in base della proteina nel quale si trovano, ma all’interno dei pigmenti antenna oltre alle due clorofille troviamo i carotenoidi, così viene captata anche quella parte di radiazione che non poteva essere assorbita dalla clorofilla. Indipendentemente da dove assorbi c’è una dispersione di energia che porta tutte le radiazioni allo stesso centro di reazione, che è uno solo. Nel centro di reazione c’è la molecola a energia più bassa e c’è l’accettore primario che deve fare la riduzione.  Ci sono due fotosistemi, 1 proteina che sta in mezzo, una di collegamento, un chinone di collegamento; i due fotosistemi si occupano di reazioni diverse. Il primo fotosistema è il fotosistema II: in questo avviene la scissione dell’acqua che viene trasformata in O₂, è coinvolto un chinone che si chiama plastochinone; il plastochinone reagisce con l’acqua e dà O e plastochinolo, questa non è una reazione favorita e ha bisogno di fotoni quindi di radiazione elettromagnetica. Questo sistema converte fotoni in elettroni. Ci sono circa 250 molecole di clorofilla e β-carotene e 25 polipetidi contenenti clorofille a e b e carotenoidi; la reazione avviene dal lato interno che si chiama lume del tilacoide perché la luce arriva dal lato dello stroma e l’acqua viene scissa dal lato del lume. La prima reazione che viene, la luce colpisce i pigmenti antenna, avviene il trasferimento fino al centro di reazione, il centro di reazione reagisce col plastochinone e lo riduce a plastochinolo, dallo stesso lato avviene la fotolisi dell’acqua, l’acqua si ossida e diventa O₂, rigenera il centro di reazione che è in grado di ripetere il processo. L’O che si libera non serve alla pianta. Plastochinone che diventa plastochinolo ha bisogno di H e li prende dallo stroma; la fotolisi dell’acqua libera protoni all’interno del lume del tilacoide; quindi il fotosistema è una pompa protonica? Si e no, perché richiede protoni e consuma protoni, perché sposta protoni da un lato all’altro; quindi lo è anche se non direttamente, prende energia da queste reazioni. Si crea un gradiente protonico, con un accumulo di protoni nel lume del tilacoide con il protone che tende ad andare dal lume verso lo stroma. Quello che c’è dal lato del lume si chiama Oxygen evolving complex, complesso di sintesi dell’O, è un sistema che coinvolge la presenza dello ione manganese e Ca, in cui avvengono reazione basate su complessi di coordinazione. La fotolisi dell’acqua è importante, ha immesso l’O che respiriamo. Le prime cellule fotosintetiche sono comparse 3,6 mld di anni fa, le prime fotosintesi sono avvenute poverissime di O, circa 2mld di anni fa ci è stato un aumento di O che ha portato alla respirazione aerobica e da qui sono nate l’origine delle cellule eucariotiche fotosintetiche. Esplosione cambriana è difficile da spiegare perché fino a mln di anni fa non c’era “vita”, da 2 mln in poi si sono creati animali e piante. Il plastochinolo viaggia nella membrana e arriva al complesso chiamato citocromo b6f, all’interno contiene gruppi eme, chi è che ossida il plastochinolo a plastochinone, lo ione Fe₃⁺. Il citocromo b6f deve essere rigenerato dalla plastocianina, piccola proteina contenente Cu.  Il fotosistema I: deve rigenerare la plastocianina e trasformare NADP in NADPH; questa reazione che sequestra protoni avviene nello stroma così contribuisce a creare un gradiente protonico perché consuma protoni dallo stroma. La plastocianina si muove sulla membrana e sta dal lato del lume, qui c’è una proteina di collegamento che si chiama ferredossina, che dal lato del lume rigenera la plastocianina ma all’interno del fotosistema assorbe altra reazione elettromagnetica che è l’energia di più che serve al riducente che riduce NADP in NADPH. Se volessimo quantificare quanta energia luminosa serve, questo sistema deve assorbire una 40 di ATP. Quando gli oggetti assorbono la radiazione succede che gli elettroni devono tornare indietro rilasciando energia sottoforma di calore, urti, ecc. Nel sistema della fotosintesi non è così. I pigmenti della fotosintesi si trovano all’interno di fototsistemi sono strutture proteiche trans-membrana che contengono pigmenti. La radiazione viene assorbita dal 1° pigmento, questo pigmento rilascia energia che non viene dispersa e presa da un pigmento che sta affianco per fare lui la reazione; la cosa continua fino all’ultimo pigmento nel quale l’elettrone che fa questo salto viene perso e diventa riducente. pigmenti antenna centro di reazione 30 Nelle cellule del mesofillo cattura la CO₂ e la trasforma in una molecola organica che viaggia mediante trasportatori, arriva nella guaina del fascio e libera la CO₂. Quindi grazie ad una carbossillazione e decarbossillazione la CO₂ è stata trasportata. o Ciclo di Hatch-Slack: serve a spostare la CO₂. La CO₂ entra attraverso gli stomi nella cellula del mesofillo. Troviamo un enzima, fosfoenolpiruvato-carbossilasi, che è in grado di captare i residui di CO₂ indipendentemente dalla presenza dell’O₂. La CO₂ è stata bloccata e anche in questo sito attivo troviamo un metallo, questo enzima e il metallo non reagiscono con l’O. Quindi il fosfoenolpiruvato diventa ossalacetato. L’ossalacetato viene trasformato in malato, questa reazione può avvenire ma ha bisogno di un riducente, l’NADPH. Questa reazione non ha un dislivello energetico tale per cui può avvenire solo in una direzione, ma è alla pari per cui può avvenire in tutte e due le direzioni a seconda dei reattivi che ci mettiamo. Il malato attraversa le membrane. È un meccanismo di cattura e liberazione di CO₂. L’acido malico viene trasformato in acido piruvico, anche questo può attraversare le membrane e fa il percorso inverso e arriva nel mesofillo dove reagisce con l’ATP e si riforma il fosfoenolpiruvato, così si chiude il ciclo. È una reazione sfavorita energeticamente, perché è favorita quella inversa. Avviene perché l’ATP ha una scorta di energia, cioè noi utilizziamo l’ultimo gruppo fosfato ma lui ne ha un altro e in questo caso per spostare la reazione viene idrolizzato anche l’altro gruppo fosfato e si forma AMP. Come spostiamo l’NADPH e l’ATP? L’NADPH si sposta grazie al malato, sopra l’NADPH diventa NADP e si sposta, e sotto l’NADP diventa NADPH. L’ATP attraversa le membrane grazie ai plasmodesmi e quindi può avvenire il ciclo di Calvin. Questa fotosintesi ha un’altissima efficienza fotosintetica, cioè quanto glucosio si produce in base alla disponibilità della CO₂. Le piante C4 producono più glucosio delle C3, perché non fanno la fotorespirazione, perché nelle piante C3 la CO₂ si perde per diffusione, nella C4 c’è un enzima avido di CO₂ che non fa scappare una molecola. La fotosintesi C4 è il miglior esempio di evoluzione convergente, cioè la stessa caratteristica evolve indipendentemente in specie differenti e non correlate. Diverse piante hanno questa modifica C4, allora si parla di evoluzione convergente quando la pressione ambientale induce la stessa modifica anatomica, funzionale in piante diverse. Fotosintesi CAM: è il metabolismo delle crassulacee, riguarda 4% delle specie vegetali (cactus, agave, orchidee, ananas), piante che vivono in climi estremi. Sono piante acquatiche che conservano l’acqua e per proteggerla modificano le foglie e creano le spine e la fotosintesi la fa il fusto. Queste piante modificano il proprio metabolismo e rinunciano ad aprire gli stomi di giorno e quindi li aprono di notte. Hanno un problema, la CO₂ che hanno assorbito di notte la devono utilizzare di giorno, quindi utilizzano il ciclo di Hatch-Slack che serve in questo caso per conservare l’anidride carbonica. La fotosintesi avviene nella stessa cellula, ma queste piante non sono ad alta efficienza fotosintetica. In giornate fresche/umide le piante CAM svolgono il ciclo normale di Calvin (piante CAM facoltative). In alcune zone fa caldo sia di giorno sia di notte e queste piante non fanno lo scambio di CO₂ e vivono facendo il riciclo della CO₂ prodotta dalla respirazione. 31 DNA- GENETICA: vedere le fasi con le quali l’informazione genetica si traduce nella traduzione di proteine e molecole, la funzione autocatalitica quando l’informazione genetica passa dalla cellula madre alla figlia, eterocatalitica quando sullo stampo del DNA si forma RNA nelle sue forme principali transfer, messaggero e ribosomiale. La genomica studia il DNA, la trascrittomica studia RNA, la proteomica studia le proteine di una cellula, la metabolomica studia i metaboliti di una cellula. Gene: è il più piccolo segmento di DNA che ha un effetto fenotipico, cioè un carattere, somatico o biochimico, che si manifesta nell’individuo. Il genotipo: il gene che codificano per quel carattere del fenotipo. Gli acidi nucleici sono di due tipi, DNA e RNA. Le strutture sono diverse tra di loro ma hanno dei caratteri simili, ad esempio hanno la stessa famiglia di monomeri che si chiamano nucleotidi. Il nucleotide è formato da base azotata e uno zucchero, la base azotata può essere pirimidinica o purinica, pirimidina è un anello a 6 termini con 2 atomi di N in posizione 1,3, una base pirimidinica ricorda la pirimidina, questi anelli hanno un’estesa planarità; la purina è un sistema biciclico, una è una pirimidina e l’altra è un imidazolo cioè un anello a 5 termini con un atomo di N ed è lo stesso anello che troviamo nell’istidina, queste molecole sono diffuse nell’organismo umano ed esistono anche molecole puriniche indipendentemente dalle basi del DNA. Queste basi azotate sono legate con un monosaccaride di forma ciclica, il ribosio o il desossiribosio. Il legame tra zucchero e base è quello glicosidico, ma in questo caso non è presente l’OH quindi si lega con l’N e si chiama N-glicosidico, con l’azoto in basso; ed è inoltre -N-glicosidico. L’unità costituita da base azotata e zucchero si chiama nucleoside. Quando in posizione 5’ c’è legato il gruppo fosfato nel nucleotide, legame fosfoestereo. Quanti nucleotidi esistono? 8 perché ce ne sono 2 per la citosina, 2 per l’adenina, 2 per la guanina, 1 per la timina e 1 per l’uracile; ne hanno 2 perché legano sia ribosio che desossiribosio. Quando abbiamo un polimero c’è bisogno che la molecola abbia 2 gruppi funzionali con le quali formare una catena, nel nucleotide sono il gruppo alcolico e fosfato che può formare 3 esteri. Il gruppo fosfato può formare facilmente 2 esteri, quindi i due gruppi che formano un polimero sono l’OH dello zucchero e il fosfato. Sullo zucchero ci sono 1 o 2 gruppi OH, il legame che formano i nucleotidi tra di loro è 3’-5’ fosfodiestereo. Il nome acido deriva dal fatto che l’acido fosforico è un acido triprotico, ha 3 gruppi OH acidi, quindi 2 ne impegna e ne rimane uno libero che conferisce il carattere acido alla molecola, per cui è un acido nucleico. È un etero-polimero, ogni posizione può essere occupata da una molecola su 4, per indicare la catena basta indicare la base azotata che è l’unico elemento che cambia e vanno scritte in direzione 5’- 3’ che sono le due estremità terminali, la sequenza va da sinistra verso destra. I legami covalenti che rendono stabile il filamento sono i legami fosfoesterei, però c’è una stabilizzazione accessoria che si chiama 𝝅− 𝝅 stacking, stabilizza ciascuno singolo filamento; somiglia alle forze di London, queste basi hanno un sistema π abbastanza esteso siccome stanno una sopra all’altra e quindi un piano genera un sistema che si polarizza istantaneamente e polarizza quello di sopra e così via, si chiama π-π perché gli elettroni coinvolti sono quelli dei doppi legami che si interferiscono in verticale quindi nella posizione delle basi azotate che stanno una sopra l’altra. Struttura del DNA: il DNA è caratterizzato da una struttura quaternaria. Regola di Chargaff diceva che c’era un rapporto di equivalenza tra Adenina e Timina e Guanina e Citosina; cioè il rapporto tra purine e pirimidine è costantemente = a 1. Non poteva essere spiegato da un singolo filamento ma c’è una struttura a doppia elica e il diametro è costante di 20 Å, un diametro costante è possibile solo se interagiscono tra di loro una purina e una pirimidina. Ciascun filamento è la copia complementare dell’altro. A è sempre accoppiata a T e G a C. Perché questi accoppiamenti? Perché il legame ad H è direzionale. A e C non riuscirebbero a contrarre nessun legame ad idrogeno. G e T uno solo. La combinazione G-C forma 3 legami ad H, la A-T ne forma 2 perché l’altro non è sulla stessa direzione e l’H non è polarizzato. Si creano zone di maggior legame e minor legame, le zone ricche di G-C hanno maggior stabilità si rompono più difficilmente rispetto alla A-T che si aprono più facilmente. La struttura è quindi una doppia elica, non ramificata costituita da due catene polinucleotidiche antiparallele spiralizzate con un avvolgimento destrorso intorno allo stesso asse, legate tra loro per mezzo di legami H tra le basi puriniche e pirimidiniche. Catene polinucleotidiche antiparallele vuol dire che una catena 5’-3’ si appaia con un’altra che ha 5’- 3’ nella direzione opposta, quindi all’estremità 3’ di una catena corrisponde un’estremità 5’ dell’altra. Lunghezza fino a 250 milioni di coppie di basi. Questa struttura fa sì che gli zuccheri e i gruppi fosfato si trovino all’esterno quindi la molecola di DNA è più propensa a stare in un ambiente idrofilo, invece la parte centrale non è proprio idrofoba però l’acqua interagisce all’esterno ed è esclusa dalla parte centrale perché è competitiva con i legami ad H. La struttura ha dei parametri, piani delle coppie di basi contrapposte spaziati di 3.4 Å. Giro completo della doppia elica di 10 coppie di basi, 3.4 x 10 = 34 Å, passo dell’elica 34 Å. In questa struttura si possono individuare dei solchi, minor groove and major groove; sono il punto con il quale il DNA interagisce con le altre molecole, soprattutto con le proteine che facilitano l’avvolgimento. I siti di legame per le proteine è la struttura della cromatina e la regolazione dell’espressione genica, il DNA reagisce con dei fattori di regolazione che o bloccano o stimolano il processo. Nei solchi le proteine trovano i gruppi fosfato, quindi l’interazione tra queste proteine e il DNA è un’interazione ione-ione, quindi le proteine devono essere ricche di amminoacidi basici così si caricano positivamente e interagiscono con il meno del gruppo fosfato. Istoni e nucleosomi: la prima interazione che fa il DNA è con gli istoni, sono piccole proteine ricche di amminoacidi basici che formano un ottamero e intorno a questo ottamero si avvolge il DNA formando una struttura che si chiama nucleosoma che serve per occupare meno spazio e regola l’espressione genica. Si crea il DNA linker che sarebbe il DNA non coinvolto nel nucleosoma che è di meno rispetto a quello coinvolto. 32 Come si fa questo sistema di regolazione? Gli istoni che formano l’ottamero sono H3, H4, H2B, H2A; se voglio regolare l’avvolgimento ho bisogno di un altro istone H1 che funge da collante, l’istone H1 è quello di regolazione per la formazione del nucleosoma, il legame tra DNA e H1 è di tipo cooperativo, se si toglie l’H1 si srotolano tutti gli altri. Il legame con l’istone H1 è regolato da acetilazione e deacetilazione, quando si deve sciogliere l’istone H1 viene acetilato perché l’acetilazione blocca i gruppi amminici. Cromatina: organizzazione compressa del DNA, al livello del microscopio si individuano due cromatine, la eucromatina e la eterocromatina, hanno intensità diversa, la eucromatina è meno condensata mentre la eterocromatina è più condensata; vuol dire che c’è qualche tratta del DNA che viene poco srotolato, infatti la eterocromatina non viene tradotta e non diventa proteina invece nella eucromatina è più intensa l’attività di trascrizione. Ci sono due modi in cui i nucleosomi si possono impaccare e le strutture sono solenoide o zig zag, questi due livelli costituiscono il livello successivo e a questo punto la sezione del nucleosoma si ripiega su se stesso e diventa una catena intrecciata che si chiama cromatina, ha occupato il minor spazio possibile perché ha creato degli elementi rigidi che sono i nucleosomi che sono orientati in maniera strategica in modo che occupino minor spazio possibile. Quello che si verifica poi è la costituzione del cromosoma, l’interno gruppo costituito da una catena 5’-3’ e una catena 3’-5’ compattate e ripiegate. Cromosomi: ciascun cromosoma contiene circa centinaia di milioni di base, nell’uomo ci sono circa 3 miliardi di basi. Il 20% associato a geni (25000 geni), di cui solo il 6% è realmente codificante (tot ca. 1,5%), il resto sono sequenze regolatorie (introni). L’80% extragenico (codifica per tRNA, rRNA, fattori di trascrizione, ma la larga parte ha funzione non nota o nessuna funzione). I cromosomi sono strutture tridimensionali generate dall’organizzazione superelicoidale del DNA. Nel caso dei procarioti è presente un singolo cromosoma, contiene un altro DNA circolare che si chiama plasmide, piccolo tratto di DNA circolare e può essere trasmesso da una specie all’altra, i plasmidi sono anche implicati nei fenomeni di resistenza batterica agli antibiotici e questo fenomeno si chiama trasferimento genico orizzontale. Negli eucarioti si trovano più da 10-50 cromosomi. Diploidia: nelle cellule somatiche sono presenti 2 copie per ogni cromosoma definiti cromosomi omologhi (non identici) e l’uomo ne ha 23 x 2= 46. Durante la duplicazione del DNA i cromosomi effettuano una ulteriore condensazione ad opera di condensine e si organizzano a coppie di cromatidi uniti in una regione proteica centrale (centromero), hanno una forma simile ad un bastoncello. Il centromero può essere metacentrico (posizione centrale) o acrocentrico (con braccia di lunghezze diverse). Durante la mitosi il cromosoma crea il suo gemello. Cinetocore è la zona di unione dei due cromatidi fratelli. Conformazioni DNA A e DNA B e DNA Z: la conformazione fisiologica è DNA B. La prima forma alternativa è il DNA A, non è fisiologico, l’orientazione delle basi azotate è obliquo, il giro dell’elica è di 11 coppie di basi, la distanza è di 28,2 Å. In condizione estreme il DNA diventa da B ad A. Lo possiamo trovare brevi segmenti a doppia elica presenti nelle molecole di RNA. La conformazione Z è fisiologico, in alcuni pezzi lo troviamo, un aumento è patologico. L’andamento è a zig zag e ed è più stretta quindi ci sono 44,6 Å e 12 coppie di basi come passo dell’elica. È l’unica forma di doppia elica ad avvolgimento sinistrorso. La forma G-quadruplex, si trova nei telomeri, sono tratti di DNA ricchi di guanina formano strutture con organizzazione a tetradi nota come G- quadruplex, grazie ai legami ad H, tetrade stabilizzata dalla presenza di un catione monovalente (es K+) che si dispone al centro, grazie ad una chelazione. L’organizzazione quadruplex è presente nei telomeri e altre regioni contenenti DNA non codificante in cui regola l’espressione genica. LA REPLICAZIONE DEL DNA: fa parte della funzione autocatalitica dell’acido nucleico, questo processo avviene una sola volta cioè quando la cellula decide di dividersi e quindi in previsione di questa replicazione il DNA va copiato perché deve essere trasmesso alle due cellule figlie. La fase in cui avviene la divisione cellulare si chiama mitosi o fase M del ciclo cellulare è preceduta dalla fase S nella quale moltiplica il suo corredo genetico. Dopo questa fase ciascun cromosoma avrà affianco un cromosoma identico, si chiamerà cromosoma unico dal corredo identico, ma all’interno del genoma della cellula diploide c’è un altro cromosoma detto omologo che contiene piccole differenze in alcuni geni. Si parla di replicazione semiconservativa perché noi passiamo da una doppia elica di DNA che deve generare due doppie eliche di DNA; quindi nelle due doppie eliche che si generano, uno dei filamenti deriva quello che era il filamento originario. È un processo fisiologicamente fondamentale, è regolato dai check point del ciclo cellulare, è regolato dalle cicline che danno via a questo processo; gli istoni ostacolano il processo. Questo processo ha 3 fasi: inizio→ srotolamento dei filamenti antiparalleli della doppia elica; allungamento→ generazione di un filamento figlio secondo le regole dell’appaiamento; terminazione. o È un processo che richiede una quantità di energia spropositata perché per ogni base azotata serve un equivalente di XTP, perché il substrato di questo enzima è il nucleotide trifosfato. Allora le cicline devono considerare se la cellula ha disponibilità energetica per fare questo processo. L’origine della replicazione del DNA eucariotico inizia in più punti dello stesso cromosoma (repliconi multipli), nel DNA procariotico inizia in un punto (inizio puntiforme). La forma che ha al microscopio l’apertura del DNA è quella di una bolla, da cui il nome bolla di replicazione o forcella di replicazione. L’enzima che srotola il DNA si chiama DNA elicasi e ha bisogno di energia perché deve rompere dei legami a H, agisce grazie al segnale dell’ORC o complesso di origine della replicazione che riconosce sul DNA una sequenza ricca di A e T, la sequenza dove è più facile rompere i legami; questo complesso recluta altre proteine che si chiamano CDT1 e CDC6 che attaccano la DNA. 35 Le cellule che si replicano velocemente come quelle dei batteri possono trasferire attraverso i plasmidi ciò che succede casualmente e la generazione successiva può essere resistente a quell’antibiotico. Queste mutazioni avvengono perché sono una delle possibilità che abbiamo di ricombinazione genetica, le strategie di ricombinazione genetica che abbiamo sono 3, la prima sono mutazioni che inducono dei caratteri diversi nell’organismo, la seconda è la ricombinazione genetica che avviene con la riproduzione sessuale, la terza è l’horizontal gene transfer. Tutte queste possibilità di cambiare il proprio DNA sono la strategia dell’evoluzione, l’evoluzione è la risposta genetica alla pressione ambientale, la pressione ambientale condiziona le performance di alcuni fenotipi, la pressione ambientale può far sì che alcune modifiche del genoma sia più performanti rispetto ad altre e quindi le seleziona, la teoria è che modificando il proprio genoma con le mutazioni, con la riproduzione sessuale, si hanno più possibilità di poter rispondere alle mutate condizioni ambientali a livello di specie. Ci sono mutazioni che sono danni del DNA, si usa lo stesso termine, mutazione, sia quando una base è sostituita da un’altra base azotata, ma anche quando c’è un danno sul DNA. Questi danni possono avere diversa origine, l’invecchiamento o motivi di tipo fisico/chimico. Quello che può accadere nel danno da invecchiamento è la deamminazione della citosina. La deamminazione consiste nella sostituzione dell’NH₂ con C=O; questa reazione è promossa dall’acqua che prende il posto dell’NH₂ e ci dà anche una motivazione sul fatto che l’acqua deve essere esclusa dal centro della doppia elica perché potrebbe catalizzare delle reazioni chimiche di idrolisi e il nucleotide potrebbe reagire. Nel caso della deamminazione si ottiene l’uracile, ecco perché nel DNA non c’è l’uracile perché se ci fosse stato noi avremmo avuto che la deamminazione avrebbe trasformato un nucleotide in un altro e sarebbe cambiato il codice genetico. Il DNA risolve il problema metilando l’uracile e facendo la timina. Nell’RNA c’è la citosina e l’uracile quindi perché non accade? Perché il DNA si trasmette di generazione in generazione, questa reazione è lenta e una molecola di RNA dura poco quindi non ha il tempo di degradarsi perciò l’invecchiamento vale solo per il DNA. Un altro danno da invecchiamento è la depurinazione, cioè l’idrolisi del legame N-glicosidico, quindi il legame si rompe quando viene a contatto con l’acqua; ci troviamo un DNA senza base. L’altra mutazione da invecchiamento si chiama tautomeria, quando cambia la struttura con l’enolo cambia la struttura del DNA, spinta dalla molecola d’acqua. Le mutazioni da agenti fisici/chimici sono ad esempio la formazione dei dimeri di timina causata da agenti fisici, la radiazione ultravioletta; si formano legami covalenti tra due timine adiacenti e si perde l’informazione genetica, tumori della pelle in seguito alla eccessiva esposizione al sole. L’altra mutazione causata da agenti fisici/chimici sono l’intercalazione ed alchilazione, intercalazione significa molecole che riescono a mettersi tra una base azotata e l’altra, le molecole devono essere di struttura planare e sono le poli-aromatiche, si producono con la combustione incompleta e si forma o il monossido o residui di C che si legano tra di loro, idrocarburi policiclici aromatici. Il problema è quando questa molecola reagisce con la doppia elica e quindi i nostri enzimi la rendono idrosolubile ma anche reattiva e queste molecole sono pronte per essere eliminate ma essendo reattiva può reagire con la base azotata e si attacca al DNA. I crosslinkers sono molecole che hanno due siti reattivi, entrano nel DNA e si legano sia ad una base azotata di un filamento e di un altro filamento. In questo caso il DNA non riesce ad aprirsi perché ci sono due legami covalenti. Le molecole di crosslinkers sono acido nitroso (nei salumi), aldeidi derivanti dalla perossidazione dei lipidi (come l’O singoletto). LA TRASCRIZIONE DEL DNA: attiene alla funzione eterocatalitica, ottenere dal DNA l’RNA. I nostri RNA sono di tre tipi: mRNA, tRNA, rRNA. Sono tutti collegati alla funzione della sintesi proteica, rRNA è dei ribosomi, il tRNA è il veicolo per il quale gli amminoacidi vengono portati al sito di assemblaggio, mRNA è il codice che viene letto per sintetizzare le proteine. La differenza che c’è con la replicazione è che la trascrizione non avviene su tutto il genoma ma solo su una parte. La trascrizione va regolata. Anche in questo caso il DNA deve essere srotolato, liberato dagli istoni perché deve essere libero per il substrato dell’enzima che fa questa reazione che si chiama RNA polimerasi DNA dipendente. La bolla di trascrizione coinvolge 30 basi circa e si sposta finché non è finito il gene che corrisponde a quella proteina. Il substrato di questo enzima sono ribonucleotidi trifosfato. Anche questo enzima funziona solo in direzione 5’-3’, cioè aggiunge ribonucleotidi ad un’estremità 3’ libera e quindi riconosce come filamento guida solo 3’-5’. Non c’è problema del frammento di Okazaki. Il risultato sarà un filamento uguale a 5’-3’ ma non esattamente perché ci sarà l’Uracile al posto della Timina e lo zucchero è il ribosio e non c’è l’appaiamento. I fattori di trascrizione: indicano tutta una serie di proteine che regolano la trascrizione, proteine che possono srotolare il DNA e regolano la trascrizione. I fattori di trascrizione agiscono, non sul gene che deve essere trascritto ma nella zona precedente di questo gene. Prima del gene c’è una zona che fa legare o meno l’enzima che procede con la trascrizione, questa zona si chiama promoter. Il promoter funziona grazie all’azione dei fattori di trascrizione, ma prima del promoter c’è un’altra zona del DNA che si chiama enhancers; i fattori di trascrizione si legano all’enhancers e causano un ripiegamento del DNA per cui l’enhancers si avvicina al promoter, a questo punto altri fattori di trascrizione, promuovono il legame tra la zona enhancers e la zona promoter e si forma un loop a monte del gene che deve essere trascritto. 36 Dopo che si è formata questa zona la RNA polimerasi riconosce questa struttura e si lega per cominciare la trascrizione. La regolazione della trascrizione fa parte dell’epigenetica, fattori che inducono la trascrizione proteica dei geni, non modificano il DNA; i fattori epigenetici possono dipendere dalla caratteristica della cellula e dalla risposta agli stimoli ambientali cioè stimola l’espressione di geni che prima erano criptici, cioè che non hanno dato luogo a proteine. La trascrizione è regolata da un altro sito detto insulator, e si trova a monte del gene tra il promoter e l’enhancers, può impedire che si formi il loop quindi blocca la trascrizione. Impedisce che si formi il loop quando all’insulator si lega una proteina chiamata IBP (insulator binding protein). Tatabox è la zona promoter. La modifica più importante che avviene del DNA è la metilazione delle basi azotate, avviene a diversi livelli e regola diversi processi, è uno dei modi dei quali si manifesta l’epigenetica; legare un metile sulle basi azotate, se il metile viene legato alle basi azotate del promoter non avviene l’interazione tra enhancers e promoter e quindi non avviene il loop e si impedisce la trascrizione; se la metilazione avviene a livello dell’insulator l’effetto è opposto perché non si lega alla IBP e non viene inibito e viene dato il via libera alla trascrizione. L’enzima DNA- metil transferasi che decide se deve essere o meno trascritto quel tratto di DNA a seconda se agisce o no e se agisce sul promoter o sull’insulator. Il donatore universale di metile, è S-adenosil-metionina, metionina legata col suo N alla adenosina. Questa molecola metila un C in posizione 5 della citosina, in queste zone dove deve avvenire la trascrizione troviamo la 5 metil-citosina; questa reazione deve essere reversibile. Metilare impedisce l’interazione con quel tratto di DNA. Sono stati individuati circa 1600 fattori di trascrizione nell’uomo. Che percentuale del genoma è condificante, il 6% del 20%. Circa il 10% dell’intero genoma codifica per fattori di trascrizione. Il meccanismo di «entrata» nel nucleo dei fattori di trascrizione è un ulteriore meccanismo di regolazione della trascrizione. Alcuni fattori di trascrizione sono ubiquitari (es. NF-kB, STAT-3) e giocano un ruolo nella trascrizione di geni pro- infiammatori. Terminazione della trascrizione: alla fine di ciascun gene si trovano delle sequenze palindrome ricche di G e di C che possono reagire con se stesse e si forma questo sistema in cui le C e le G del RNA si appaiano, questo è un segnale che fa sì che l’oloenzima si stacca dal DNA, rilascia il trascritto, la bolla si chiude e finisce la trascrizione. Tutto è implicito alla sequenza del gene e si forma questo sistema che viene chiamato 𝛒 (rho). Maturazione dell’RNA: quello che viene ottenuto dalla trascrizione si chiama trascritto primario. Nei procarioti il trascritto primario è quello che viene utilizzato nello stampo per la sintesi proteica, appena finisce la trascrizione parte subito la traduzione. Negli eucarioti il trascritto deve essere elaborato, due di queste elaborazioni servono ad uscire dal nucleo per poter andare ad essere letto dai ribosomi e dare la proteina. Le modifiche che avvengono sono tre: aggiunta coda di poliA, aggiunta cap 5’, splicing. Le prime due modificano le due estremità di RNA perché gli enzimi nucleasici partono dalle estremità quindi se tu proteggi le estremità hai protetto il filamento intero perciò vengono protette le due estremità 3’-5’ dall’azione degli enzimi nucleasici. I. La prima modifica è l’aggiunta coda di poliA, all’estremità 3’ viene tagliata una sequenza non codificante di 10-35 nucleotidi, una sequenza di riconoscimento per questo enzima che si chiama poliA-polimerasi, al posto di questa sequenza l’enzima aggiunge una sequenza di 50-250 unità. Tutto questo ha 3 funzioni: protezione dalle nucleasi; riconoscimento per le proteine coinvolte nell’esportazione dal nucleo al citoplasma dette esportine (passaggio attraverso le nucleoporine); riconoscimento mRNA-ribosomi. II. La seconda modifica è l’aggiunta del cap-5’, viene aggiunta una guanina e si lega con un legame tra il 5’ e il 5’ ed è strano, ma non c’è un ponte monofoasfato ma trifosfato quindi il ponte 5’-5’ trifosfato con una guanina; vengono metilate le ultime due unità di ribosio e la guanina viene metilata in posizione 7, la S- adenosin metionina li metila, l’ultima base azotata diventa 7-metilguanosina. III. L’ultimo è il processo dello splicing, consiste nel taglio degli introni (sequenza di DNA non codificante), lasciando solo esoni (sequenze codificanti). Si devono rompere 2 legami 3’-5’- fosfodiestereo e se ne deve formare un altro; perciò servono 2 idrolisi e un nuovo legame. Gli introni sono sequenze che regolano la trascrizione, contengono dei microtratti che possono bloccare la traduzione, partecipano allo splicing alternativo. Si chiama splicing che vuol dire formazione di un cappio, viene effettuato da un complesso proteico che si chiama spliceosoma, ripiega l’RNA e unisce le due estremità. Un nucleotide presente nell’introne con il suo OH in posizione 2 dello zucchero attacca il gruppo fosfato del margine introne/esone e può farlo perché è ribosio e ha l’OH libero, il gruppo fosfato è quello del legame 3’-5’ che si rompe nella posizione 5’ di sopra, questo vuol dire che il nucleotide forma 3 legami fosfodiesterei, uno col 3’ uno col 5’ e uno col 2’. È stato liberato l’esone con il suo 5’ libero e con il suo 3’ grazie all’azione dello spliceosoma viene avvicinato il punto di giunzione introne/esone. Tutto questo processo prevede due trans- esterificazioni, l’estere si forma perché uno estereo si rompe e se ne forma un altro estereo contemporaneamente; quello che viene rilasciato è l’introne a forma di cappio, l’introne viene eliminato e gli esoni si sono legati. Se lo splicing funziona male c’è un’alterazione completa del codice e quindi malattie genetiche. Lo splicing alternativo è la possibilità che lo stesso tratto di RNA messaggero sia introne per una proteina ed esone per un’altra, questo porta che lo stesso tratto codifica contemporaneamente per due proteine quindi c’è un aumento della densità del codice genetico. Si realizza in tessuti diversi, noi abbiamo circa 25.000 geni che codificano per 100.000 polipeptidi com’è possibile? Perché questi geni vengono tagliati diversamente e quindi le proteine che ne risultano sono tutte diverse; ad esempio la calcitonina (tiroide) e il peptide CGRP (neuoroni) sono il risultato di uno splicing alternativo. 37 LA TRADUZIONE DEL DNA: è il meccanismo in base al quale a partire dal RNA messaggero vengono assegnate le proteine, questo accade nei ribosomi che sono di due tipi citosolico e reticolare. È un’operazione di traduzione dai nucleotidi agli amminoacidi e questa la fa una molecola che è l’RNA transfer. Il codice di traduzione è una corrispondenza tra basi azotate e amminoacidi, non può essere biunivoca ma è a triplette quindi è 𝟒𝟑=64. Il codice genetico è ridondante, abbiamo una corrispondenza tra le triplette di basi e di amminoacidi che porta ad un numero di triplette superiore agli amminoacidi per cui deve codificare. Molti amminoacidi hanno più triplette, ad esempio l’arginina che ha AGG, AGA, CGA, CGC, CGG, CGU; quando c’è una ridondanza le prime due basi sono conservate e la variazione è sulla terza base azotata, ci sono delle mutazioni che possono essere silenti per la ridondanza del codice genetico. Perché la valina diventa acido glutammico? Valina GUA, acido glutammico GAA; un nucleotide cambiato cambia il codice. Il codice è stato identificato negli anni 60, la metionina AUG è il primo amminoacido che viene inserito nelle proteine e funge da segnale di inizio; invece UAA, UAG, UGA, non codificano per nessun amminoacido e sono il segnale di stop della traduzione. Sistema di decodifica: il tRNA è una molecola piccola di un 100 di nucleotidi, la forma a trifoglio schiacciata. Si formano degli amminoacidi complementari in zone strategiche, ci sono 4 zone con interazioni tra amminoacidi e 3 zone ad ansa. In queste zone l’RNA somiglia al DNA di tipo A. All’ interno di questa struttura ci sono 2 posizioni che possono cambiare, anse variabili e ansa D. Invece c’è una zona comune, l’estremità 3’ è funzionale al ruolo del tRNA che deve leggere l’mRNA e portare l’amminoacido che corrisponde alla tripletta, allora deve avere una zona per l’mRNA e una zona per l’amminoacido; la prima si chiama anticodone e troviamo le basi azotate complementari a quelle del codice, la seconda è l’estremità 3’ e l’amminoacido si lega al tRNA con un legame covalente. Questo legame avviene all’estremità 3’ tra l’OH in 3’ libero e il COOH dell’amminoacido con un legame estereo. Come viene legato l’amminoacido all’tRNA? Grazie ad un enzima, amminoacil-tRNA sintetasi. Questo enzima ha due siti, uno per l’amminoacido e uno con l’ATP. L’amminoacido viene fatto reagire con l’ATP per attivarlo e formare un legame fosfoanidridico con il primo fosfato dell’ATP. Gli altri due gruppi fosfato vengono idrolizzati e ciò che abbiamo legato in realtà è l’amminoacido con AMP. L’enzima che fa la sintesi proteica non utilizza ATP e quindi in questo legame viene sintetizzata tutta l’ATP della sintesi. Questa coppia tra amminoacido e AMP, l’enzima l’avvicina all’tRNA e fa formare il legame estereo, poiché passiamo da un anidridico ad un estereo non serve energia. Qui l’enzima deve prendere l’tRNA e la base, dovrebbe leggere la tripletta, ma questa cosa è impossibile e come fa a non commettere errori? Perché esiste un amminoacil-tRNA sintetasi per ciascuno degli amminoacidi. Quindi il codice genetico viene letto per complementarietà di forma. Sintesi proteica: la sintesi di una proteina comincia dall’estremità N-terminale fino all’estremità C-terminale e i nucleotidi vengono letti dal 5’ terminale al 3’ terminale. C’è un’attivazione della subunità 30S (procarioti) 40S (eucarioti), si deve formare un complesso di inizio, ci sono alcune proteine che si chiamano fattori di inizio che si legano alla subunità 30S e viene riconosciuto mRNA, nei processi di riconoscimento degli eucarioti entra in gioco anche la coda di poliA, nei procarioti no. Quando è pronto mRNA si avvicina il tRNA che avrà il codice complementare a quello del primo amminoacido che è sempre la metionina negli eucarioti, nei procarioti è modificata per N-formilmetionil-tRNA. Dopo arriva la subunità maggiore che si lega al complesso di inizio, quando arriva chiude il cappuccio che comprende mRNA che deve essere letto, tRNA che porta la metionina e una volta chiuso individua 3 zone che coprono 9 nucleotidi o tre triplette; la prima si chiama sito E che significherà exit, la seconda sito P che significa peptide in allungamento, il terzo sito A che sarebbe amminoacido. Il tRNA si trova nel sito P. Il secondo amminoacido si piazza sul sito A, entrambi gli amminoacidi sono legati al 3’ con un legame estereo. Chi forma il legame ammidico? L’amminoacido che si trova sul sito A con il suo N va a legare il C=O che sta sul sito P e forma un legame ammidico o peptidico grazie all’enzima peptidil-transferasi, per fare questo legame non serve energia perché i legami che si formano sono man mano più stabili. L’mRNA viene letto perché il ribosoma si sposta di una tripletta ad ogni scatto, allora quello che si trova nel sito E si allenta il legame ed esce, un tRNA scarico deve ritornare nella amminoacil-tRNA sintetasi e ricaricarsi di nuovo. Quello che contiene il peptide in allungamento si troverà nel sito P, arriverà un altro tRNA che si attacca al dipeptide che diventa tripeptide e così via finchè non arriva alla sequenza di terminazione e la catena neosintetizzata viene rilasciata e il ribosoma si disassembla liberando mRNA. o Poliribosomi: scopo di massimizzare la sintesi proteica, produrre più copie della stessa proteina in tempi ridotti, partendo da un’unica molecola di mRNA. Ci sono varie geometrie a rosetta, a spirale o a elica. Smistamento delle proteine sintetizzate: nella cellula eucariotica vengono sintetizzate circa 10.000 proteine che vanno direzionate nel punto di attività. Una proteina deve essere secreta o devono raggiungere un organello sulla membrana o devono essere modificate nel Golgi possono farlo con delle vescicole, vengono sintetizzate sul reticolo endoplasmatico ruvido che le sintetizza e forma le vescicole. Ma le proteine che devono andare nel nucleo o nei mitocondri/cloroplasti (rubisco, pompa sodio-potassio, lipasi, proteasi) o rimanere nel citosol (DNA polimerasi, istoni, proteine del ciclo di Krebs, proteine della glicolisi, l’esochinasi), vengono sintetizzate da ribosomi liberi che non sono associati al reticolo endoplasmatico. Quindi dipende dalla destinazione, via secretoria la prima e via citoplasmatica la seconda. Quelli citosolici non si vedono al microscopio. I primi amminoacidi della proteina segnalano il destino della proteina, ci sono delle sequenze all’inizio della sintesi che individuano il destino per entrambe le vie. 40 Ci sono alcune proteine che sono sensibili all’ambiente cellulate, vengono sintetizzate solo quando c’è una disponibilità di nutrienti smisurata. Quando l’mTOR, un esempio di queste proteine, viene sintetizzata viene ridotta l’attività di riciclo e aumenta la sintesi delle proteine e la replicazione del DNA. Quando c’è mancanza di nutrienti mTOR è inibito e quindi crescita, metabolismo e divisioni cellulari vengono inibite. Viene esaltata l’attività di riciclo ad opera degli autofagosomi. Quindi ci sono proteine che inducono il legame cicline- CDK. L’mTOR è un esempio di processo biologico scoperta grazie ad una sostanza naturale. Questa proteina è stata scoperta per il funzionamento della rapamicina, isolata da sedimenti dell’isola di Pasqua (Rapa Nui). Questa rapamicina causava un prolungamento della vita media dei topi e nello studiare si è visto che inibiva mTOR e il ciclo era rallentato. Il nome mTOR significa mammarian target of rapamicina. Gli inibitori di mTOR vengono utilizzati come antitumorali e antimetastatici. Destini cellulari: il destino cellulare viene deciso dal modo in cui sono regolati i checkpoint e dal modo in cui vengono percepite le disponibilità di nutrienti all’interno della cellula. Un destino cellulare normale prevede che da una cellula, per divisione cellulare si crei la cellula successiva. Se i checkpoint non funzionano il ciclo può essere bloccato a livello del G1/S, del G2/M o fase M; in tutti questi casi la mitosi non avviene quindi c’è un temporaneo arresto della crescita. Normalmente se uno di questi checkpoint viene bloccato, la cellula viene avviata alla apoptosi. Un processo governato dalla stessa cellula che porta alla sua degradazione perché è stato notato un problema. C’è una possibilità che la cellula sopravviva alla apoptosi, cioè i segnali della apoptosi non siano attivi e allora si entra in una fase di senescenza cellulare. La senescenza è una cellula che ha dei problemi. Se abbondano nell’organismo è un problema perché da queste possono partire le degradazioni di organi. I senolitici sono sostanze che bloccano la senescenza, la trasformano in una cellula che può andare in apoptosi. Es. quercetina. L’apoptosi: l’organello cellulare da dove parte l’apoptosi è il mitocondrio, ci sono delle proteine chiamate bax che bucano la membrana mitocondriale. Fa uscire la proteina citocromo C, esce e crea un complesso con altre proteine detto apoptosoma, che attiva le caspasi che tagliano tutte le proteine della cellula, si chiama caspasi perché taglia le proteine a livello della cisteina e dell’acido aspartico. LA MITOSI: riguarda le cellule eucariotiche. Si crea uno scheletro proteico, fatto di microtubuli, che serve ad organizzare i cromosomi duplicati nella zona centrale. I cromosomi sono costituiti da i due cromatidi fratelli, quindi ci sono 46 cromosomi ciascuno dei quali costituito da due cromatidi identici. A questo punto si separano i cromatidi fratelli e il movimento delle proteine li direziona ai poli opposti della cellula. o profase→ i cromosomi, prima della mitosi, sono condensati ma non si riesce ad individuare una forma, didatticamente pensiamo sia a bastoncello; ma la vera forma la assumono all’inizio della mitosi e si condensano ancora di più nella profase. Le due proteine che partecipano sono le coesine, che uniscono tra di loro i cromatidi fratelli, le condensine che partecipano al super avvolgimento conferendo la forma finale. Nel checkpoint G2/M, non viene rimosso un blocco come nel G1/S, viene promossa l’azione di alcune proteine come le condensine che fosforilate danno la forma ai cromosomi. Si deve organizzare il fuso mitotico che sarebbe una rete di microtubuli, ne esistono diversi come la 𝜸-tubulina che si viene a trovare nei centrioli che sono stati duplicati e si dispongono ai due poli della cellula e da lì danno origine alla polimerizzazione della tubulina.  prometafase: fase intermedia, i cromosomi si attaccano al fuso mitotico, scompare il nucleolo. o metafase→ prevede la completa dissoluzione della membrana nucleare, stimolata da alcune proteine, dette lamine. Queste proteine costituiscono uno scheletro sotto alla doppia membrana del nucleo e sono implicate nella dissoluzione della membrana perché quando vengono fosforilate dissolve la membrana. I cromosomi si organizzano nella parte centrale della cellula e costituiscono la piastra equatoriale. Qui avviene un altro checkpoint, checkpoint M, si assicura che tutti i cromosomi siano appaiati sulla piastra equatoriale. Alcuni farmaci antitumorali bloccano le cellule allo stadio di metafase per la mancata genesi del fuso mitotico (vinblastina) o perché lo stabilizzano (tassolo). o anafase→ avviene la separazione dei cromatidi fratelli con un enzima detto separasi. La separasi è inibita da una proteina detta securina, quando viene ubiquitinata viene distrutta dal proteasoma e la separasi può agire. I cromatidi separati si spostano ai poli della cellula. Esistono tre tipi di microtubuli, quelli polari, periferici e collegati ai cromatidi; lo scorrimento dei periferici allunga la cellula, quelli collegati ai cromatidi non vengono mossi, quindi se la cellula si allunga e loro rimangono della loro dimensione man mano si allontanano. o telofase→ ricompaiono le membrane nucleari, si ricostituisce il nucleo, gli organelli si riposizionano e poi avviene la citodieresi, si crea un filamento attorno alla membrana di actina e di miosina che scorrendo tra di loro la strozzano al centro fino a separarla. Nelle piante tutte hanno la parete cellulare e deve essere sottile ed elastica, durante la telofase, la piastra equatoriale viene sostituita dal fragmoplasto su cui, dal Golgi (dittiosomi) e dal RE, arrivano i materiali che costituiscono la lamella mediana. LA MEIOSI: è alla base della ricombinazione genetica, la riproduzione sessuale. La riproduzione sessuale prevede la formazione di cellule aploidi che si chiamano gameti. I due individui di sesso diverso, a partire da 2n cromosomi grazie alla meiosi danno origine a cellule aploidi n. I due gameti vengono a contatto e formano una cellula chiamata zigote, questa cellula contiene il corredo cromosomico aploide sia maschile che femminile. Avere coppie di cromosomi omologhi, sono simili ma non identici, alcuni geni sono identici altri sono diversi e questo induce caratteristiche fenotipiche diverse. 41 Allora si chiamano alleli delle forme alternative dello stesso gene che si trovano su ciascun cromosoma omologo. Gli alleli controllano lo stesso carattere ma possono portare a prodotti non identici. La meiosi avviene in una regione dove si devono generare i gameti, porta al dimezzamento del corredo cromosomico. Una cellula eucariotica con corredo diploide genera 4 cellule con corredo cromosomico aploide. o interfase→ replicazione del DNA e si formano le coppie di cromosomi omologhi. o meiosi I→ avviene un processo di crossing over, scambio di materiale genetico tra gli alleli, significa che la variabilità genetica viene creata non solo perché nella cellula zigote arriva un cromosoma maschile e femminile, ma anche perché la situazione degli alleli che c’era viene ricombinata; quindi durante il crossing over, che prevede la formazione delle sinapsi, c’è un primo contributo alla variabilità genetica che è lo scambio di alleli all’interno dello stesso individuo. Avviene la 1° divisione cellulare, ma l’enzima separasi non entra in gioco e quindi 23 coppie vanno in una cellula e 23 in un’altra e si hanno due cellule diploidi. Due cromosomi omologhi si attaccano uno vicino all’altro e formano una tetrade, o anche detta sinapsi o complesso sinaptinemale. Si avvicinano tra di loro con l’obiettivo di scambiarsi gli alleli, nel DNA avviene un taglio viene spostato da un cromosoma e viene mandato sul suo omologo e avviene una ricombinazione genetica. Grazie all’azione degli enzimi recombonasi, endonucleasi, ligasi avviene lo scambio degli alleli. o meiosi II→ la 2° divisione cellulare, si separano i cromatidi fratelli e ciascuna cellula genera due cellule aploidi. Alla fine della meiosi si creano 4 cellule con corredo cromosomico diverso, due hanno genotipo parentale e due sono ricombinanti. Abbiamo creato un “terzo” cromosoma omologo. Si creano 4 gameti, ma solo 2 sono attivi, infatti la meiosi è asimmetrica e diventano gameti effettivi solo quelli ricombinati. Affinché una cellula possa fare la meiosi deve avere un corredo cromosomico 2n perché deve diventare 4n dopo la replicazione e perché se non si forma la tetrade la meiosi si blocca. Se le specie che si accoppiano non danno la tetrade si formano specie non fertili. La meiosi nell’uomo: nel maschio la profase I dura una settimana mentre l’intero ciclo meiotico dura circa 1 mese. Nella donna le divisioni meiotiche generano una cellula uovo e 3 cellule polari che non diventano gameti. Eredità mitocondriale: la cellula uovo eredita parte dei mitocondri presenti nell’oocita. Lo spermatozoo non eredita i mitocondri dello spermatocita (si posizionano vicino al flagello). L’eredità mitocondriale è asimmetrica. Poliploidia: aumento del numero di cromosomi rispetto al corredo cromosomico diploide (2n). Nella autopoliploidia questo dipende da anomalie nella mitosi o nella meiosi. Nell’uomo si verifica fisiologicamernte nelle cellule epatiche senescenti (possono arrivare a 16n), nei megacariociti che diventano 64n e poi si frantumano in piastrine. Nelle piante un gamete dipliode genera uno zigote triploide, che origina un organismo generalmente sterile perché non può dare meiosi equilibrate con la formazione delle tetradi. Unendosi riproduttivamente con un altro individuo tetraploide dà luogo a progenie fertile (speciazione). Nelle piante la poliploidia induce un aumento del metabolismo e delle dimensioni. Bisogna alterare la mitosi o la meiosi con la colchicina, un prodotto di un’altra pianta che si chiama colchilo che ha l’effetto di bloccare il fuso mitotico. Cicli sessuati: con ciclo sessuato intendiamo l’alternanza di cellule aploidi e diploidi che possono dare origine all’organismo figlio. Il ciclo sessuato degli animali è una delle possibilità e si chiama diplobionte. Noi animali abbiamo una sola cellula aploide che è il gamete, il ciclo si chiama meiosi gametica o terminale; una meiosi che serve a generare il gamete. I funghi fanno un altro ciclo sessuato detto aplobionte, il gamete maschile si fonde con quello femminile e forma lo zigote che è una cellula a 2n, lo zigote appena nasce fa la meiosi e dallo zigote si generano cellule aploidi che crescono e danno origine ad un organismo adulto aploide. In una zona del fungo si forma il gamete con una semplice differenziazione cellulare. Questa volta la meiosi è iniziale e si chiama meiosi zigotica o iniziale, nel caso del fungo l’unica cellula diploide è lo zigote. La meiosi non serve a formare il gamete nei funghi. Il ciclo delle piante è aplodiplobionte, un’alternanza di generazioni (fase dell’organismo) tra aploidi e diploidi. L’aggregato cellulare aploide si chiama gametofito, dà origine al gamete; l’aggregato diploide si chiama sporofito, dà origine alle spore. Partiamo dallo sporofito, in una zona dello sporofito che si chiama sporangio avviene la meiosi e dà origine a 4 cellule aploidi ma non sono gameti e si chiamano spore, la spora si accresce e dà origine al gametofito aploide, in una zona del gametofito che si chiama gametangio e per differenziamento genera gameti, i gameti fanno la fecondazione si origina lo zigote diploide e dà origine per mitosi allo sporofito. La divisione tra aploide e diploide non è 50 e 50 ma ci sono delle piante in cui la fase aploide predomina sulla diploide e in altre piante il contrario. Le alghe sono come i funghi, aplobionti; ma siccome tutte le piante derivano dalle alghe hanno una predominanza del ciclo aplobionte. Le piante che hanno bisogno di acqua sono aplobionti, ad es. il muschio. LA GENETICA DI MENDEL: Il fenotipo è l’insieme delle caratteristiche osservabili (morfologia, fisiologia comportamento). Il genotipo è la composizione genetica che l’organismo ha ereditato e deriva da due tipi di mescolamento, quello del crossing- over e la combinazione con il corredo cromosomico con l’altro gamete che porta alla presenza di coppie di cromosomi omologhi. Lo zigote eredita metà del suo corredo cromosomico da ciascuno dei genitori. Grazie al crossing over ciascuno dei suoi cromosomi non è esattamente uguale a quello del genitore. Per ogni carattere un organismo eredita due alleli, ciascuno da un genitore. Quale carattere fenotipico sarà manifestato? Genotipo omozigote: alleli dello stesso locus genico su cromosomi omologhi sono uguali. Genotipo eterozigote: alleli dello stesso locus genico su cromosomi omologhi sono diversi. L’organismo eterozigote manifesta il carattere dell’allele dominante. La variante fenotipica recessiva si manifesta solo negli organismi con genotipo omozigote per l’allele recessivo. 42 Questa terminologia deriva dargli esperimenti pionieristici di G. Mendel (1822-1884) sulla pianta Pisum sativum, scelta perché a ciclo rapido e pianta ermafrodita, possibile riproduzione per autofecondazione. Un organismo ermafrodito è un organismo che ha sia il gamete maschile che il gamete femminile. Mendel voleva riuscire ad ibridare delle piante che avevano i caratteri differenti ed erano omozigoti per questi caratteri. Ha scelto lo stelo lungo e lo stelo corto, dei due ad essere dominante è la pianta con lo stelo lungo, se questa pianta è omozigote per lo stelo lungo manifesta lo stelo lungo, se è omozigote per lo stelo corto manifesta lo stelo corto, quando facciamo l’ibridazione e il gamete maschile di un individuo viene posto a contatto con il gamete femminile dell’altro, nasce una pianta che erediterà l’allele stelo lungo e stelo corto perché sono omozigoti, quindi la pianta nella generazione F1 sarà eterozigote. Nella prima generazione (F1) tutte le piante manifestano il carattere dominante. (legge della dominanza). Se faccio una autoimpollinazione succede che lo stelo corto si può combinare o con uno stelo lungo o con uno stelo corto e quindi TT carattere dominante, tt carattere recessivo, oppure Tt. Nella generazione F2 il carattere dominante si manifesta con un rapporto 3:1; due eterozigoti e un omozigote. L’eterozigote è in grado di dar luogo all’omozigote recessivo. Seconda legge di Mendel (segregazione bilanciata): i due membri di una coppia di geni si separano l'uno dall'altro durante la formazione dei gameti. La separazione dei cromosomi omologhi avviene durante la meiosi I ed ha come risultato la segregazione degli alleli di un eterozigote. Per la terza legge si concentra sul seme, giallo o verde, liscio o rugoso. Nel primo esperimento ha omozigote per il giallo, verde, liscio e rugoso; quando fa la prima generazione ottiene l’eterozigote sia per il colore sia per la forma, scopriamo che il giallo è dominante sul verde e che il liscio è dominante sul rugoso. Generazione F1 mostra solo caratteri dominanti. Se faccio la autoimpollinazione, ci sono due possibilità, se i due caratteri viaggiano insieme cioè il giallo e il liscio viaggiano insieme e il verde e il rugoso viaggiano insieme allora quando autoimpollino posso avere le solite 4 possibilità; ma la situazione è più elaborata se i caratteri sono indipendenti cioè ogni allele si manifesta indipendentemente dall’altro. Terza legge di Mendel (dell’assortimento indipendente): durante la formazione dei gameti la segregazione di una coppia di geni è indipendente dalle altre coppie. I due alleli si trovano su cromosomi diversi e sono indipendenti, ma se sono sullo stesso cromosoma, solo il crossing over può spiegarlo perché mescola gli alleli e sposta su un cromosoma diverso uno che prima era unito ad un altro. Eccezioni alla prima legge di Mendel  poliallelia: sebbene ciascun individuo possieda due soli alleli per ciascun carattere, è possibile che nella popolazione ne esistano di più, accrescendo il numero dei possibili fenotipi;  assenza di dominanza: il carattere recessivo comunque si esprime. Gli ibridi della F1 hanno caratteri intermedi tra quelli dei genitori. La generazione F2 è composta da tre classi: ¼ mostra il fenotipo di uno dei genitori, ¼ quello dell'altro genitore, e la restante metà è uguale agli ibridi F1;  codominanza: entrambi i caratteri si manifestano in modo completo nella generazione F1 (es. gruppi sanguigni A e B sono dominanti su 0 e codominanti tra loro), i gruppi sanguigni sono delle glicoproteine di membrana dell’eritrocita, e sono due glicoproteina A e B se non manifesta nessun A e B e quindi è 0. Quando un allele di tipo A/B forma una cellula con uno di tipo 0 viene manifestato il carattere dominante, ma se si mescolano un A con B si deve stabilire quale è dominante e quale è recessivo ma A e B sono codominanti e vengono manifestati entrambi. Abbiamo un gruppo AB se un genitore è A e uno B oppure se AB con A o con B. Eccezioni alla terza legge di Mendel  pleiotropia: un singolo gene influenza più caratteri del fenotipo, un esempio è il siamese (enzima che funziona solo nei punti più caldi e quindi sulle orecchie, coda, zampe, muso è inibito;  epistasi: un gene maschera l’espressione fenotipica di un altro gene diverso. È un fenomeno di interazione fra geni posti su loci diversi, che consiste nella copertura degli effetti di uno (ipostatico) da parte dell'altro (epistatico);  poligenismo: Statura: Sono coinvolti alleli di 10 loci genici. Pigmentazione: controllata da almeno 3 geni Siccome si tratta di geni indipendenti, si ottengono tutte le possibili gradazioni con una variazione continua (di altezza, di colore…). 45 Osservazione: gli insetti non si avvicinano a fiori recentemente visitati da altri insetti. Si spiega con i segnali elettrici, i fiori hanno una debole carica elettrica negativa, gli insetti grazie all’agitazione delle ali si caricano si segno positivo; l’insetto sente un campo elettrico che lo attrae, c’è una debole attrazione elettrostatica. Quando l’insetto impollina il fiore scarica il potenziale elettrico del fiore, quindi gli altri insetti non ci vanno perché non sono più carichi. Man mano che si fa il nettare, il fiore si ricarica negativamente e quindi è di nuovo attrattivo per l’insetto. Fecondazione: l’insetto trasporta il granulo pollinico, che raggiunge la parte femminile del fiore, se si incrocia perfettamente con lo stigma parte la fecondazione. Dopo che si verifica la complementarietà comincia a crescere una struttura che si chiama tubetto pollinico, e attraversa tutto lo stilo e arriva all’ovario. Libera due gameti per ogni ovulo che incontra, perché nelle angiosperme avviene la doppia fecondazione. Un gamete feconda la cellula uovo che poi darà l’embrione, la seconda fecondazione avviene ad opera dell’altro gamete su una cellula che si trova sempre nel sacco embrionale e ha due nuclei, ha un corredo cromosomico diploide. Quando arriva il gamete e feconda anche questa la cellula diventa triploide, cioè una cellula poliploide. Le poliploidi producono un metabolismo più accelerato perché questa cellula si divide e diventa endosperma tessuto nutritivo all’interno del seme. Sintesi delle riserve di nutrienti (proteine, lipidi, amido) che si accumulano in organelli specializzati - cotiledoni. La doppia fecondazione serve per produrre l’endosperma, il tessuto che sintetizza i metaboliti. Quando avviene questo, cellula uovo fecondata diventa zigote e poi embrione, ovulo dopo fecondazione diventa seme, ovario dopo la fecondazione diventa frutto. Monocotiledoni e dicotiledoni: l’embrione, contenuto nel seme, ha uno o due cotiledoni (foglie embrionali). Le dicotiledoni (200.000 specie) es. betulle, faggi, castagni, cavolo, rosa, mela, legumi, patate, pomodori. Le monocotiledoni (90.000 specie) es. palme, gigli, orchidee, riso, frumento, orzo, aglio, cipolla, aloe. Ci sono altri caratteri fenotipici che si associano al fatto di essere mono/dicotiledoni, questo è un esempio di pleiotropia. I più evidenti caratteri fenotipici sono le nervature delle foglie, nelle dicotiledoni c’è un fascio centrale e delle ramificazioni e nelle monocotiledoni i fasci sono paralleli; nel fusto sono disseminati nelle monocotiledoni e ad anello nelle dicotiledoni; la radice nelle monocotiledoni non esiste una radice principale e nelle dicotiledoni è presente la radice centrale; nei fiori nelle monocotiledoni tutte le strutture sono multipli di 3, nelle dicotiledoni sono multipli di 5. Germinazione del seme: lo scopo del frutto è trasportare il seme il più lontano possibile. Il seme deve essere liberato dal frutto nel terreno e quando si creano le condizioni ottimali il seme dà la germinazione cioè crea un nuovo sporofito. Le condizioni ottimali sono determinate da acqua, O, temperatura e luce. L’acqua serve per far germinare il seme che è una struttura fortemente disidratata, perciò la prima cosa è la reidratazione del seme; la luce serve perché un seme non germina se non c’è luce, i fitocromi assicurano alla pianta la presenza di luce e che una volta sviluppata farà la fotosintesi; l’O serve per la respirazione cellulare; temperatura serve per il funzionamento degli enzimi del seme e per la crescita della pianta. Quando ci troviamo in queste situazioni gli enzimi (amilasi, proteasi, lipasi) si reidratano e scindono i nutrienti, si utilizzano le riserve accumulate e comincia a crescere la piantina, comincia a trasformare i pro-plastidi in cloroplasti e fa la fotosintesi. Tutto questo processo viene regolato da ormoni vegetali che presidiano a tutti questi eventi. Gli ormoni vegetali sono diverse classi di metaboliti secondari (derivati biogeneticamente da metaboliti primari). Regolano le attività citologiche, istologiche e di organismo della pianta, anche in risposta agli stimoli ambientali (es. dormienza, crescita, sviluppo, germinazione del seme). Alcuni ormoni giocano un ruolo di sviluppo (es. auxine, gibberelline) altri giocano un ruolo inibitorio (es. acido abscissico, etilene).  Gibberelline: metaboliti secondari di natura terpenica a 20 atomi di C, sono dei diterpeni, inducono la germinazione del seme. Sono state finora isolate oltre 120 gibberelline, ma in nessuna non c’è un OH che riesce ad interagire col suo recettore;  Acido Abscissico: molecola che tiene il seme in quiescenza. È un terpene a 15 atomi di C, deriva dalla scissione di un tetraterpene come il carotenoide. Induce la dormienza dei semi stimolando la disidratazione e l’accumulo di nutrienti ed inibisce la germinazione precoce. Può inibire la germinazione anche se le condizioni ambientali sono ottimali. Questa molecola la produce l’uomo, vitamina A, è uno stimolatore endogeno del rilascio di insulina, fa diminuire il livello di glicemia. I semi non germinati sono ricchi di acido abscissico. I frutti: deriva dall’ovario e ha lo scopo di proteggere il seme, di aiutare la sua dispersione. Si divide in frutti semplici e frutti composti, i frutti semplici derivano da un solo fiore, i frutti composti si originano per fusione di più ovari. Possono essere diversi ovari di uno stesso fiore, ad esempio le more che danno la struttura di un frutto aggregato; oppure fiori diversi che si fondono ad esempio l’ananas che danno i frutti multipli. I frutti falsi, si riferisce al fatto che il frutto non deriva solo dall’ovario ma anche da altre parti che entrano nella costituzione del frutto; ad esempio il siconio, il pomo o la nucula. I frutti in base alla strategia che utilizzano per la dispersione del seme si dividono in carnosi e secchi.  I carnosi sono frutti con una polpa zuccherina, la sua strategia è che deve essere mangiato da un predatore che disperde il seme, deve fare tanta fotosintesi. Un frutto carnoso è formato da una parte esterna detto esocarpo, la parte commestibile che si chiama mesocarpo e la parte interna endocarpo. I frutti carnosi che hanno un solo seme si chiamano drupe, quelli che hanno più semi si chiamano bacche. 46 Le drupe hanno epicarpo sottile, mesocarpo carnoso, endocarpo legnoso (es. pesco, susino, albicocco, ciliegio, noce). Le bacche hanno epicarpo membranoso, mesocarpo ed endocarpo carnoso (es. uva, pomodoro, agrumi, anguria). C’è un ormone vegetale che si occupa della maturazione dei frutti, ovvero l’etilene, la cui produzione è stimolata dall’acido abscissico. Serve ad ammorbidire le pareti cellulari e a trasformare i cloroplasti in cromoplasti. Questo ormone viene prodotto quando la parte zuccherina è sufficiente, l’acido abscissico stimola l’etilene e questo induce la maturazione dei frutti. Se si inibisce l’azione dell’etilene si blocca la maturazione dei frutti.  I frutti secchi sono frutti che non vengono mangiati, o sono deiscenti, cioè quando il frutto è maturo libera da solo il seme, o indeiscenti cioè i frutti che a maturità non si aprono ma si consuma per macerazione e libera il seme. I deiscenti possono essere il follicolo, legume o baccello tipico delle leguminose, capsula tipico del papavero. Gli indeiscenti sono achenio (castagna), cariosside tipico delle graminacee, noce tipico del nocciolo. Partenocarpia: sviluppo di frutti senza che sia avvenuta la fecondazione. Di conseguenza il frutto risulta privo di semi. La banana è sterile, non ha semi, è triploide in quanto deriva dall’incrocio tra una banana tetraploide ed una diploide. Come si riproduce? Seguono la moltiplicazione agamica o asessuata. Prendere dalla pianta uno degli organi di accumulo (rizoma, stolone, tubero, bulbi, pollone) ma che contengono anche tessuto meristematico e piantarlo nel terreno e dà lì crescerà una nuova pianta. La pianta che si produce è un clone. Organi e tessuti delle angiosperme: gli organi della pianta sono organi riproduttivi, fiore e frutto; gli organi vegetativi, radici, fusto, foglie. Le foglie sono organi fotosintetizzanti; il fusto è l’organo di conduzione dei liquidi, di sostegno e di crescita della pianta; le radici presiedono all’ancoraggio al terreno e l’assorbimento di acqua e sali minerali dal terreno. I tessuti sono raggruppamenti di cellule con funzione specializzata e si trovano all’interno degli organi. Sono 4: fondamentale, vascolare, dermico, meristematico. 1. Tessuto fondamentale: ha una funzione non univoca poiché esplica una funziona diversa in base all’organo in cui si trova, e si divide in 3 sottoclassi che si distinguono tra di loro per com’è fatta la parete cellulare: a. parenchima ha la parete più sottile, ha una forma sferica, nelle foglie fa la fotosintesi come nel mesofillo che avrà una parete sottile, nel fusto e nelle radici ha funzione di riserva. Le piante per vivere in acqua fanno una modifica del parenchima che diventa parenchima aerifero crea delle bolle d’aria e riesce a vivere sott’acqua; b. collenchima ha la parete più spessa poiché ha anche la secondaria, ha forma allungata, ha funzione di sostegno di alcune parti cellulari. Per contribuire al turgore si formano queste fibre di collenchima che sostengono la pianta; c. sclerenchima ha ancora più rigidità che si ottiene con la lignificazione, le pareti cellulari sono ispessite o lignificate, ha forma allungata. Si dividono in cellule fibrose o fibre (fibre tessili) e sclereidi (es. endocarpo drupe). i. La lignificazione consiste nella deposizione di lignina nella parete. È il primo esempio di modifica della parete cellulare. Viene depositata nella primaria perché nella secondaria non c’è spazio. La lignina è un polimero eterogeneo di unità C₆C₃. È molto resistente poiché si formano dei legami C-C. 2. Tessuto vascolare: trasporta i liquidi soprattutto acqua nelle foglie che è un reattivo e serve per la fotosintesi, un’altra parte del tessuto deve portare alle cellule che non hanno fatto la fotosintesi i prodotti della fotosintesi cioè il saccarosio. a. lo xilema è la parte del sistema vascolare che va in salita, trasporta acqua e sali minerali dalli radici alle foglie, questo miscuglio si chiama linfa grezza. Le cellule dello xilema hanno dei vasi grandi chiamati vasi o trachee e dei vasi piccoli chiamati tracheidi. Dobbiamo immaginarli come delle cellule cilindriche che si mettono l’uno sull’altro e hanno dei plasmodesmi così grandi che vengono attraversati dall’acqua. Queste cellule hanno pareti molto spesse e un inizio di lignificazione, le tracheidi sono un po’ più sottili e hanno dei plasmodesmi più piccoli che si chiamano punteggiature. b. il floema è il tessuto vascolare che trasporta i prodotti della fotosintesi, ha una forma allungata e la sua struttura si chiama tubo cribroso, ha una parete più sottile ma è una cellula senza nucleo che riceve nutrienti proteine da una cellula ad essa associata, cellula compagna, attraverso i plasmodesmi. È più veloce il flusso nel floema o nello xilema? Nello xilema è più veloce. L’acqua in salita deve andare dalle radici alle foglie senza nessuna fermata intermedia e serve un’“autostrada” che fa salire il flusso velocemente, il floema invece si ferma ovunque perché deve cedere i prodotti della fotosintesi, quindi le cellule del floema sono più sottili e più tortuose. Il saccarosio viene ceduto dal floema grazie ad un simporto con pompa protonica, all’interno del floema arriva lo ione H⁺ pompato da una pompa protonica a questo punto c’è un canale che fa il simporto utilizzando il gradiente creato dal protone entra il protone e il saccarosio. Nelle piante le pompe protoniche sono estremamente diffuse. Approfittando del fatto che non ci sono aperture laterali all’interno dei vasi si può creare una specie di vuoto riempito soltanto dalle molecole d’acqua, c’è un’altra forza in vigore cioè alla fine del percorso il floema trasporta acqua e saccarosio ma quando arriva giù trasporta solo acqua e quest’acqua la rimanda nello xilema che alla fine si rigonfia e si richiude e spruzza verso l’alto il liquido. Questa ipotesi prevede che lo xilema e il floema devono essere attaccati l’uno all’altro. 47 3. Tessuto dermico: è il tessuto di rivestimento che si trova in tutti gli organi, il tessuto dermico cambia a seconda dell’organo in cui si trova, nella foglia deve far passare la luce quindi è una cellula di spessore piccolo con parete primaria molto sottile, senza cloroplasti e spesso ricoperta da uno strato di cera o cutina per evitare che l’acqua esca per traspirazione cioè attraverso la cellula. Questa cutinificazione è una modificazione della parete cellulare, consiste nella aggiunta di cere una sull’altra al di fuori della parete del tessuto dermico. Serve ad impermeabilizzare la cellula e isolare la foglia perché la cellula, essendo coperta di cutina solo sulla faccia esterna, può ricevere acqua e nutrimento dalle cellule vicine e rimane vitale. a. Una sottoclasse del tessuto dermico delle foglie sono gli stomi, cellule di guardia che si aprono e si chiudono per far uscire i gas, sono tessuto dermico modificato. Le foglie delle dicotiledoni hanno un portamento orizzontale e avranno una parte superiore dove si concentrano le cellule fotosintetizzanti, la parte inferiore non è illuminata quindi gli stomi si posizionano prevalentemente sulla parte inferiore. Nelle monocotiledoni in cui la foglia ha un portamento verticale o obliquo, le due facce della foglia sono uguale e quindi gli stomi si trovano da entrambe le parti. Gli stomi devono essere propensi alla fotosintesi ma ci sono delle piante (CAM) che non li aprono. Il meccanismo generale dell’apertura degli stomi, prevede che sia regolata dalla luce solare che colpisce le cellule di guardia che la percepiscono grazie ai fitocromi, questi fitocromi stimolano una risposta che porta alla sintesi di pompe protoniche che buttano fuori ioni H⁺ e creano un gradiente elettrochimico cioè un voltaggio; sulla cellula di guardia ci sono dei canali ionici stimolati dal voltaggio questi canali fanno entrare K e Cl. A questo punto si crea una grossa pressione osmotica nella cellula di guardia che richiama acqua dall’esterno, quindi si gonfia e si apre. Se c’è una adeguata quantità di acqua può anche rischiare di aprirsi, ci vuole un messaggero che dica agli stomi che anche se c’è luce deve rimanere chiuso perché eventualmente non c’è acqua. Per le piante CAM questa sostanza è attiva sempre e tiene gli stomi sempre chiusi; questa sostanza chimica è un ormone vegetale l’acido abscissico agisce come regolatore negativo dell’apertura stomatica. Quando c’è carenza di acqua con un meccanismo collegato alla sua forma coniugata quindi l’anione dell’acido abscissico si comporta da base e aumenta il pH attorno alle cellule di guardia, cioè contrasta l’azione delle pompe protoniche. b. Un altro esempio di tessuto dermico della foglia è quello dove vengono inseriti dei sali inorganici nella parete cellulare, l’esempio più classico oltre la calcificazione è la silicizzazione, le piante più classiche che hanno questo ago di silice sono le graminacee e anche l’ortica, quindi quando si viene punti dall’ortica è una cellula del tessuto dermico che si è modificata perché nella parete è stato deposto il silice. All’interno della parete vengono creati dei cristalli di minerali come il Ca o vengono create delle strutture fatte di silice. c. Altri tessuti dermici speciali si possono trovare nelle radici, una cellula ha una forma allungata e si parla di peli radicali, il motivo è che aumentano la superficie di contatto per l’assorbimento di acqua e nutrienti e per l’interazione con i microorganismi del suolo. Quando c’è carenza idrica sulle radici aumentano i peli radicali quindi le cellule dermiche subiscono una modifica e cercano di assorbire più acqua. d. Un altro tessuto dermico modificato è quello dei tricomi, si trovano sparsi in tutti gli organi, sono peli che hanno il ruolo di sintetizzare e buttare fuori molecole, per esempio il nettare viene rilasciato dai tricomi o gli oli essenziali. Nelle foglie hanno il ruolo di schermare l’eccessiva esposizione solare. 4. Tessuto meristematico: tessuto embrionale presente nel seme, non deve avere nessuna caratteristica definita cioè può diventare uno qualsiasi dei tessuti adulti, è una cellula indifferenziata. All’interno del seme il tessuto embrionale si chiama promeristema; anche in una pianta adulta ci sono estese zone che contengono tessuto indifferenziato che si chiamerà meristema. I meristemi sono presenti nei fusti e nelle radici, mentre le foglie, i fiori e i frutti non hanno tessuto meristematico. Questo vuol dire che fusti e radici possono crescere potenzialmente in maniera indefinita invece foglie, fiori e frutti hanno una crescita determinata. Le cellule del meristema hanno un nucleo molto grande anche se sono molto piccole, hanno una parete cellulare molto sottile e la secondaria è assente, hanno dei plastidi non differenziati quindi sono proplastidi, hanno dei vacuoli molto piccoli e si chiamano provacuoli, hanno numerosi mitocondri e ribosomi, frequenti divisioni mitotiche, assenza di spazi intercellulari. Nella pianta sono presenti due tipi di tessuti meritstematici, primari e secondari.  Il meristema primario deriva direttamente dai promeristemi dell’embrione. Si dividono producendo, ad ogni divisione, una nuova cellula meristematica ed una cellula derivata differenziata (mitosi asimmetrica). Non genera due cellule identiche. Il meristema primario si divide in protoderma, procambio, meristema fondamentale a seconda di quello che farà il tessuto differenziato che genera. Se genera tessuto dermico si chiama proderma, se genera tessuto vascolare si chiama procambio, se genera tessuto fondamentale si chiama meristema fondamentale. I più importanti meristemi primari sono quelli apicali che fanno crescere la pianta in altezza; quindi sono meristemi apicali dei germogli (SAM) e meristemi apicali delle radici (RAM). Essendo un tessuto delicato e molto importante questo tessuto va protetto e al livello del fusto è protetto dalle gemme. Le gemme sono delle strutture fogliari che proteggono il meristema apicale e dà origine al fusto principale. Questa gemma può rimanere attiva per tutta la vita della pianta o morire alla fine della stagione vegetativa. Le gemme laterali o ascellari danno origine agli assi laterali che costituiscono i rami del caule. Dal punto di vista della radice esiste un’altra protezione che si chiama cuffia. La cuffia è un tessuto ricco di leucoplasti in particolare di plastidi ricchi di amido cioè gli amidoplasti, perché oltre a proteggere il tessuto del meristema, funge da organo di percezione della forza di gravità e garantisce alla radice il giusto orientamento nel terreno.