Biologia applicata: biologia cellulare, genetica molecolare, leggi di Mendel, Appunti di Biologia Applicata

Scarica Biologia applicata: biologia cellulare, genetica molecolare, leggi di Mendel e più Appunti in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! 1 Biologia applicata 2 La biologia è lo studio della vita. Essere vivente Oggetto inanimato Complessità Specialmente definita poiché necessità di informazione (DNA) Casuale [roccia è differente in base al posto] Capacità di accrescimento: o prelevare materia dal mondo inorganico o organico e trasformarla in composti organici caratteristici di ciascun organismo o prelevare energia Capacità di autoriprodursi: dare origine a nuovi organismi con caratteristiche simili ai genitori tramite duplicazione del DNA Adattamento all’ambiente: l’individuo deve confrontarsi con l’ambiente in cui vive e quindi è sottoposto alla selezione naturale 1- Teoria di Lamarck: modificazione indotte dall'ambiente [giraffa ha il collo lungo perché le foglie in basso erano finite] 2- Teoria di Darwin: cambiamento casuale che è adatta all’ambiente. Un cambiamento può essere negativo o positivo in base a se favorisce o meno la riproduzione. Più si sviluppa con quel cambiamento, più è vantaggioso ma solo in un determinato posto quindi è positivo in un luogo ma non in un altro. Allo stesso tempo però un cambiamento del DNA porta malattie genetiche (cambiamento non positivo per qualsiasi luogo). Organizzazione cellulare Metabolismo Finalismo delle parti: ogni parte del corpo ha una sua funzione Eccitabilità: percepire e rispondere allo stimolo proveniente dall’esterno Hanno il DNA Riproduzione: eredità dei caratteri Classificabilità ed evoluzione 5 ❖ A volte sull'esterno è presente la capsula, fatta da polisaccaride. Questa nasconde il battere al corpo. ❖ Movimento tramite flagelli (fatti da flagellina) e fimbrie (usato anche per attaccarsi ad altre cellule) ❖ Possibilità di fare spore cioè di eliminare acqua che li compone quando l’ambiente è ostile sospendendo temporaneamente il loro ciclo vitale ❖ No nucleo (cioè struttura membranosa che racchiude il DNA genomico della cellula): il DNA è sparso nel citoplasma, Presenta sia una singola molecola DNA genomico circolare (nucleoide) sia un plasmide usato per altri fine non essenziali come resistenza antibiotici. ❖ No organelli membranosi tranne i ribosomi ❖ Si dividono per scissione binaria in un tempo molto rapido (E.C. si divide ogni 20 min ad esempio). Conoscere il tempo di riproduzione serve per gestire gli orari delle medicine EUCARIOTI ❖ Struttura più complessa che è caratterizzata da strategia evoluzionista perché ha aumentato l'efficienza delle sue reazioni chimiche inserendo più strutture membranose. Affinché una reazione avvenga bene deve essere necessaria una concentrazione di reagenti abbastanza elevata all'interno di un ambiente ideale. ❖ Esistono 2 tipi di cellula: animale e vegetale. ❖ Hanno il nucleo che racchiude il DNA. È quasi sempre suddivido in cromosomi lineari. ❖ Al di fuori del nucleo è posto il citoplasma contenente tutti gli organelli membranosi. Cellula eucariotica vegetale ❖ Spesso presenta una parete esterna perché la composizione del citoscheletro diversa. Questa serve a definire la forma e la rigidità della pianta stessa ❖ Al suo interno presenta un organulo membranoso che funziona da deposito di acqua e i nutrimenti detto vacuolo. Anche questo mantiene forma e rigidità. ❖ Cloroplasti sono strutture che operano nella fotosintesi. All’interno presenta i tilacoidi, i quali, nella superficie, ci sono gli enzimi che trasformano la luce del sole. 6 Membrana È una struttura glicoproteica che delimita la cellula dal mondo esterno ed è costituita da doppio strato di fosfolipidi. L’ambiente interno è acquoso come l’ambiente esterno: le teste apolari sono poste verso l’interno mentre le teste polari sono poste al confine. Si definisce con il modello a mosaico fluido poiché le teste sono sempre in movimento. La composizione è uniforme ma non tra quella esterna e interna (fenomeno del flip flop). Inoltre ci sono delle proteine (oltre a possibili lipidi e zuccheri) che possono essere appoggiati all’esterno (proteine periferiche) oppure ancorate o attraversare il doppio strato (proteine trans- membrana). La cellula produce una serie di composti che rimangono al suo esterno formando una matrice extracellulare. Questa ha diverse funzioni come creare ambiente per le reazioni e strutture complesse [osso]. In aggiunta, regola i trasporti tra interno e esterno: i gas e l’acqua passano tranquillamente ma non sostanze troppo polari [ioni] e molecole grandi [zucchero]. Per far sì che questi possano entrare, le proteine creano dei canali (proteine diverse fanno canali diversi per sostanze specifici). Di solito il trasporto avviene secondo gradiente (dalla più al di meno concentrato) definito come trasporto passivo perché non richiede l’utilizzo di energia fino al raggiungimento dell’equilibrio. Però, a volte, la cellula ha bisogno di un trasporto contro- concentrazione e quindi il bisogno di pompe (pompe sodio potassio spingono il sodio contro- concentrazione e recuperano potassio). Questa differenza concentrazione fa sì che a cavallo della membrana si forma un gradiente elettrico detto differenza di potenziale (-70 mV), sfruttata da una serie di processi cellulari (trasmissione nervoso e contrazione muscolare). Sulla superficie ha delle molecole, dette recettori, che ricevono segnali dall’esterno per trasmetterli all’interno. Questi possono attivare o meno il sistema immunitario (autoimmuni è quando il sistema immunitario non riconosce le sue cellule). Nucleo Il DNA è racchiuso nella membrana nucleare. Il nucleo è formato da 2 membrane: interna e esterna (che continua nel reticolo endoplasmico). In una condizione normale, la cellula ha il DNA è aperto pronto per essere letto (eucromatina). Inoltre, nel nucleolo si trovano le istruzioni per fare rRNA (RNA ribosomiale che insieme ad altre proteine fa la struttura dei ribosomi). Sotto la membrana c’è una “impalcatura” di proteine che aiuta a sostenerla. La stessa cosa c’è nel nucleo e viene chiamata lamina. La lamina di proteine ha funzione strutturale ma si è visto che ha un ruolo importante anche nell’espressione genica. FOCUS Sindrome di Hutchinson-Gilford / di procedie (SPHG) è una delle forme di invecchiamento precoce più conosciute. In questo caso i pazienti sono bambini con gravi segni di invecchiamento causato dalla mancanza/insufficienza di una proteina nella lamina che comporta a una difficoltà alla cellula di leggere le istruzioni. 7 Reticolo endoplasmatico Esistono di 2 tipi: liscio e ruvido che si differenziano per la presenza dei ribosomi sulla superficie (ruvido) in quanto le proteine devono subire una fase di maturazione. Una degli amminoacidi segnala che la proteina deve subire alcune modificazioni e quindi il ribosoma si sposta sul RER per continuare la sintesi. Attraverso piccoli canali, i ribosomi incanalano la catena di amminoacidi al suo interno. Il REL è la regione deputata alla sintesi di lipidi membranosi. Ma le modificazioni del RE non sono sufficiente quindi le reazioni chimiche avviene nell’apparato di Golgi. Apparato di Golgi È un organulo membranoso formato da cisterne appiattite (sono divise in cis che si affacciano verso il REG, medium, trans che si rivolgono verso la membrana). Le proteine si spostano attraverso delle vescicole: entrano fondendosi con l’apparato, incontrano altri enzimi che li modificano, escono con altre vescicole con varie destinazioni. Quindi ha la funzione di maturare le proteine e regolare il trafficing cellulare. Mitocondrio (no presente nei globuli rossi) Sono il centro dove si completa la respirazione cellulare (avviene l’ultima parte della fosforilazione ossidativa per la creazione della ATP). Ha 2 membrane: esterna e quella interna costituita da strutture dette creste mitocondriali al quale sono posti gli enzimi della fosforilazione ossidativa. All’interno ci sono delle piccole molecole di DNA circolare detto DNA mitocondriale. Sulle creste presenta anche dei ribosomi. Dunque probabilmente è quello che resta di una primordiale simbiosi fra cellula eucariote che non era in grado di fare fosforilazione ossidativa e un procariote che la sapeva fare nei primi tempi della vita. Ecco spiegato l’ipotesi endosimbiotica. Il patrimonio genetico mitocondriale è solo materno quindi non segue le leggi di Mendel. Citoscheletrico È composto da 3 diverse strutture cellulari: microtubuli fatti dalla tubulina e fanno parte di diverse strutture [cigli, flagelli, centriolo] (i più grandi), filamenti intermedi, microfilamenti fatti da actina. Si possono costruire e rompere molto facilmente per favorire la cellula. Lisosomi Sono organuli membranosi che si occupano nell’avviare la digestione delle molecole grazie a degli enzimi detti idrolisi acidi. L’ambiente ideale affinché le reazioni avvengano, sono caratterizzate da un pH acido (4-4.5). Se il lisosoma si rompe, le idrolisi non producono danni poiché queste lavorano solo con un pH acido e non neutro. 10 GENETICA MOLECOLARE DNA Storia PROVE INDIRETTE Il DNA è presente quasi esclusivamente nel nucleo in particolare nei cromosomi. Il suo contenuto è costante per tutte le cellule di un organismo all’interno della stessa specie e per le diverse condizioni metaboliche. 1865 •Leggi dell'ereditaria di Mendel (la scienza non la riconosce come importanti) 1869 •Miescher identifica dai leucociti delle bande dei pazienti una nuova sostanza organica e con composizone acida quindi lo chiama acido nucleico 1920-30 •Morgan afferma la teoria del cromosomica dell'ereditarieà cioè, grazie all'aiuto delle leggi di Mendel, i caratteri ereditari sono trasmessi da un genere all'altro. 1928 •Griffith dimostra che una molecola che trasferisce i caratteri atraverso il principio trasformante 1944 •Avery afferma che il principio trasfromante è il DNA 1952 •Hershey e Chase afferma che il DNA, e non le proteine, trasmettono l'informazione genetica 1953 •Watson e Crick afferma che a struttura a doppia elica (25/4/1953: pubblicazione) 1998 •Human Genome Project si avvia 2003 •Progetto di sequenziamento è completato cioè si conosce la sequenza ma in realtà sappiamo cosa c'è scritto in solo il 3% 11 ESPERIMENTO DI GRIFFITH Nel 1928, Griffith usa il batterio che causa la polmonite per effettuare il suo esperimento. Già all’epoca si sapeva che esisteva in 2 forme: S, cioè con la capsula quindi virulenta, e R, ovvero senza capsula perciò non virulento. Segue un periodo di fermo su questi esperimenti perché il mondo era coinvolto nella Seconda Guerra mondiale e, in particolare, dal nazismo. Alla fine del 1800, Galton, parente di Darwin, fonda il movimento dell’eugenetica. Il principio di base era quella di migliorare la specie umano non considerando l'importanza del condizionamento da parte dell'ambiente. In conclusione, questo permette di incoraggiare a procreare solo persone dotate di talento e di evitare di riprodursi le persone non dotate. Nel 1907, negli Stati Uniti entrano in vigore le leggi che prescrivono la sterilizzazione di persone con difetti genetici o colpevoli di particolari crimini. In Virginia, Carie Buck fu la prima americana ad essere sterilizzata perché accusata di comportamento immorale e ritardo mentale. Mentre in Europa le convinzioni dell'eugenetica si fondono con il movimento nazista. Nella metà del 1930 comincia il declino del movimento eugenetico e così la scienza può proseguire gli studi del DNA e sulla genetica (usata ancora oggi sugli animali). Oggi viene conosciuta come la trasformazione orizzontale. 12 ESPERIMENTO DI AVERY (1944) Risultato: il DNA è il fattore di trasformazione 1953 La struttura a doppia elica fu scoperta da Watson, Crick, Wilkins e Franklin. Wilkins era il capo di Watson e Crick. Inoltre nel 1962 vince il premio nobel insieme ai suoi colleghi tranne Franklin perché era deceduta. Franklin era una cristallografica e studiava tramite la precipitazione dei cristalli e raggi x. Sulle sue conoscenze, ipotizzò che il DNA avesse una struttura elicoidale con un diametro di 2 nm che ciascuna giro dell’elica fosse lungo 3.4 nm e dentro ci fossero 10 unità ripetute. Nel 1953, nell’articolo pubblicato di Watson e Crick scrissero che il DNA è costituito da 2 catene polinucleotidiche che costruiscono una doppia elica destrorsa con un passo di 34 Armstrong (=3.4 nm). Questi sono anche antiparallele: 5’-3’ e 3’-5’. Inoltre i gruppi fosforici sono situati all’esterno mentre le basi sono all’interno e le 2 catene sono legate con legami a idrogeno. Successivamente usano la regola di Chargaff per spiegare la complementarietà tra le basi azotate. 1968 Chargaff isola le basi del DNA: adenina, citosina, guanina, timina. Inoltre fa un altro studio in cui dimostra che queste basi non sono disposte in modo casuale. Dal punto di vista biochimico l'adenina e guanina sono purine mentre citosina e timina sono pirimidine. Il particolare il rapporto tra adenina- guanina e citosina-timina è sempre 1:1 come anche adenina- timina e citosina- guanina. Da qui che si stabilisce la regola di Chargaff, nonché legge universale, in cui l’adenina si lega solamente con la timina e la citosina solo con la guanina. RNasi (distrugge RNA) Proteasi DNasi 15 Capita che durante la duplicazione avviene un superavvolgimento dovuto a una distorsione dell’elica. Gli enzimi che risolvono questo problemi sono chiamati topoisomerasi (tipo1 nei batteri: rompono uno dei due filamenti e usano l’altro come perno per girare l’elica. Tipo2 nei procarioti: spezzano tutte e due filamenti). Le proteine SSB “isolano” i singoli filamento in modo che questi rimangono separati. Inoltre lo proteggono perché l’acido nucleico a singolo filamento tende a spezzarlo in quanto lo riconosce come pericolo. L’altro filamento non può essere sintetizzato nello stesso modo. Dunque il DNA polimerasi lavora dal centro e torna indietro. In particolare il DNA polimerasi tipica di quel filamento ha anche la capacità di esonucleasi 5’-3’ cioè stacca i nucleotidi posti dal primer per sostituirla con un nucleotide del DNA. Tra i vari punti di avvio, i 2 nucleotidi non sono collegati quindi interviene il ligasi che unisce i frammenti di Okazaki. Di conseguenza, i filamenti si chiameranno progressivo, perché dal un punto procedere in avanti, o repressiva, siccome torna indietro. Inoltre possono essere detti filamento continuo o veloce in quanto costante oppure discontinuo o lento. Il complesso di replicazione sono proteine coinvolte tendono a stare vicini una altra e a muoversi contemporaneamente: elicasi avanti, a seguire la primasi e il DNA polimerasi. Le braccia che tengono attaccata le polimerasi sono flessibili. Siccome il complesso rimane unito, il filamento lento crea una struttura a trombone. La DNA polimerasi assomiglia a una mano destra piegata: le dita catturano i nucleotidi e li intrappola nel palmo poi da un canale fuoriesce il filamento ormai sintetizzato. Una delle due funzioni è di controllare che non sia stato commesso nessun errore attraverso questo canale che ha un diametro fisso di 2nm (l’errore allarga). In caso di errore, si attiva un meccanismo di allarme che ferma la DNA polimerasi che può attivare un altro sito catalitico chiamato esonuclasico 3’-5’ che cammina all’indietro per eliminare il difetto e ricominciare da quel punto. Inoltre viene aiutata da un'altra proteina detta PCNA che aiuta a stare attaccata al filamento (forma di ciambella nel disegno sopra) e segnala alla elicasi dove legare i nucleotidi. 16 Ogni DNA polimerasi ha funzioni diverse con caratteristiche simili. Ne esistono all’incirca 20 tipi. Questo vale sia nei procarioti sia negli eucarioti in particolare in quest’ultimi il DNA polimerasi è diverso da quello del mitocondrio e del nucleo (anche diversi tempi di replicazione). Ci sono delle sequenze specifiche che indicano al complesso dove legarsi per iniziare la replicazione. Si parla di replicatore è una sequenza nucleotidica che identifica il punto di inizio. Allo stesso modo ci sono siti specifici detti terminazioni. Nei procarioti, ci sono 2 complessi di replicazione poste in parte opposta che formano la bolla replicativa. Nei eucarioti, siccome il DNA è più lungo, ci saranno più bolle che partiranno in tempi diversi. Da notare che, nella parte iniziare dove si avvia il primer, nessuna DNA polimerasi è in grado di codificare quindi quel pezzo non viene copiato nonché perduto. Dunque, dal punto di vista fisiologico, il DNA diventa sempre più corto di conseguenza anche i cromosomi si accorceranno. Questa azione indica che ormai hanno raggiunto un invecchiamento cellulare. Le sequenze telomeriche sono sequenze ripetute con un meccanismo complicato che nella fase embrionale un enzima che allunga l’estremità protrudente. CROMOSOMI Il nostro DNA è lungo circa 1.70m ma una cellula è grande qualche decina/ centinaia di micrometri (10-6) e il DNA genomico è situato nel nucleo. Quindi sorge il problema di come questa molecola possa stare in uno spazio molto ristretto. Un’altra necessità della cellula è quello di proteggere il DNA da agenti chimici e fisici. Questi problemi vengono risolti dal fatto che la cellula protegge e compatta il DNA avvolgendolo intorno a delle proteine chiamate istoni fino a raggiungere il loro massimo impaccamento sottoforma di cromosomi. Il DNA è una molecola costituita da cariche negative dovuto all’acido fosforico. Per questo è avvolto su delle proteine ricoperte da cariche positive su cui si potrà avvolgere quindi un processo termodinamicamente favorito. Gli istoni, queste molecole positiva, sono già presenti nella fase S in quanto avviene la replicazione. in particolare il DNA si avvolge per quasi 2.5cm su 8 proteine istoniche ripetute a 2 a 2 e per questo gli istoni possono essere chiamati ottamero e il complesso che si va a formare è detto nucleosoma. In questo modo si forma una collana di perle, cioè un insieme di nucleosomi collegati da un pezzo di DNA definito linker. 17 1. DNA 2. Nucleosoma 3. Collana di perle 4. Fibra di cromatina di 30nm che forma delle ansie che poi vengono arrotolate su loro stesse con le proteine dello scheletro del cromosoma. Lo scaffold è la struttura di queste proteine. 5. Cromosoma La comparazione viene regolata a seconda del momento del ciclo cellulare. DIPLOIDE vs APLOIDE All’interno del nucleo, c’è il materiale genetico suddiviso in cromosomi lineare, caratteristico per ogni specie. Molti eucarioti, tra cui l’uomo, ha 2 coppie di ciascun cromosoma. Ciò viene detto che è diploide: il numero è segnato con 2n (=46) e i cromosomi sono definiti omologhi. Mentre ci sono cellule che ha solo un rappresentate per ciascun cromosoma e vengono definite aploide: descritte con n (=23). STRUTTURA Le estremità sono detti telomeri. Il cromosoma è costituito da 2 cromatidi fratelli che sono uniti tra di loro tramite una strozzatura primaria detta centromero. I cromosomi si distinguono sulla base di 3 caratteristiche: 3. Lunghezza 4. Posizione del centromero 1. Metacentrici: il centromero si trova a metà del cromosoma 2. Submetacentrici: il centromero si trova sopra la metà 3. Acrocentrici: il centromero si trova in cima 4. Telocentrici (in alcuni animali): il centromero è all’altezza dei telomeri Di conseguenza, i bracci del cromosoma saranno di dimensioni pressoché diverse: quello corto è detto p mentre quello lungo q. 5. Bandeggio della colorazione (risultato del laboratorio). 1 2 3 4 20 MEIOSI La meiosi è un tipo di divisione cellulare negli eucarioti che compiono la riproduzione sessuata (scopo di aumentare la variabilità genetica in modo da rispondere meglio all'ambiente circostante). Lo scopo della meiosi è lo stesso della riproduzione sessuata: variabilità genetica grazie al fenomeno del crossing over (profase I), cioè lo scambio di materiale genetico tra i cromosomi omologhi. È costituita da 2 fase: prima divisione metodica (punto chiave) e seconda divisione metodica. I protagonisti di questa fase sono le cellule germinali. Il risultato è di avere la metà del numero di cromosomi cioè da cellula diploide si avranno 4 cellule aploidi con DNA diverso(con 23 cromosomi). Normalmente non c’è perdita d’informazione. È in processo continuo divisibile in più sottofasi: 1. Profase 1 Le coppie di centrioli migrando ai poli mentre i cromosomi condensano. Inoltre si formano fibre dell'aster. La parte più importante è l’accoppiamento dei cromosomi omologhi quindi si appaiano (sinaptico cioè appaiamento molto stretto) in modo da aver il crossing over. Si distrugge la membrana nucleare e quindi i microtubuli di cinetocore possono trasportarli. 2. Metafase 1 I cromosomi hanno raggiunto il massimo grado di compattamento e sono all'equatore. Questa volta ciascun cromosoma prendere contato con un solo dei 2 poli 3. Anafase 1 Si sono separati i cromosomi omologhi. 4. Telofase 1 I cromosomi raggiungono i poli Citodieresi: si forma l'anello contrattile e la cellula si divide fisicamente 5. Profase 2 I singoli centrioli migrano ai poli opposti e si riformano tutte le fibre. Si forma il fuso che prende contatto con i cinetocori del cromosoma. 6. Metafase 2 Il cromosoma è posto all'equatore. 7. Anafase 2 Si separano i cromatidi fratelli. 8. Telofase 2 I cromosomi hanno raggiunti i poli Citodieresi: si forma anello contrattile e le cellule figlie vengono divise. 21 La mitosi è una divisione equazionale perché il numero di cromosomi non cambia. Nella meiosi è una divisione proporzionale perché si dimezza cioè da 46 si passa a 23. Tabella riassuntiva Risultato n. cromosomi Mitosi 2 cellule diploidi 46 Stesso DNA Meiosi 4 cellule aploidi 23 DNA diverso VARIABILITÀ Con una sola meiosi, si creano combinazioni che prima non esistevano (totale di 4 combinazioni diverse di cui 2 già presenti) quindi è aumentata la variabilità genetica. Formula di combinazione possibili: 2n Siccome abbiamo 23 coppie di cromosomi allora 223 . Profase 1 è molto complessa e quindi si suddivide in altre sottofase. I cromosomi omologhi si riconoscono, si avvicinano e si appaiano formano una struttura molto stretta chiamata sinapsi e legata da ponti proteici. Si può parlare anche di tetradi cioè fatta da 4 filamenti di DNA. In questo punto può avvenire il crossing over. Poi si separano ma rimangono uniti nel chiasma. Un complesso di proteine ha fatto uno scambio e poi questo si sposterà lungo il cromosoma verso l’estremità e infatti si parla di migrazione di chiasma. Nella metafase di separano completamente. 22 SPERMATOGENESI (meiosi maschile) Durante la pubertà, le cellule progenitrici, chiamate spermatogoni, si differenziano e diventano spermatociti primari. Questi entrano nella prima divisione meiotica e ne usciranno spermatociti secondari pronti per la seconda divisone meiotica. Il risultato è di ottenere 4 cellule dette spermatidi e che poi matureranno, attraverso la spemiostiogenesi, diventando spermatozoi. Da quando entra in meiosi a quando diventano maturo, passano 72 giorni. La spermatogenesi avviene nei tubuli seminiferi del testicolo che è un vero e proprio canale diviso da una membrana dal tessuto testicolare. All’interno ci sono le cellule del sertori che aiutano gli spermatogoni nel loro cammino di crescita. Il processo di meiosi, nonché di maturazione, si avvicina sempre di più al lume del tubulo così che gli spermatozoi si uniscano con il liquido prostatico per formare il liquido seminale. All’esterno dei tubuli ci sono le cellule del leyding che mandano i messaggi alle varie cellule. È importante che la zona di produzione degli spermatozoi sia separato dal resto testicolare per proteggerli dai globuli bianchi affinché non vengano attaccati. Infatti, in caso di infecondità maschile, uno dei test è quello degli anticorpi. OVOGENESI (meiosi femminile) Le cellule progenitrici, dette oogoni, si specializzano in oociti primari che entreranno poi in meiosi. Questa fase avviene quando la femmina è ancora nell’utero materno. Intorno al sesto mese di gravidanza e di vita intrauterina della bambina, la meiosi si blocca in particolare durante nel diplotene (profase 1). Durante la pubertà, l’oocita primaria conclude la meiosi quindi fa’ la separazione degli omologhi asimmetrico: oocita secondario, la più grande, e primo globulo polare. La seconda divisione meiotica (metafase 2) si completa solo se l’oocita secondario viene fecondato. In caso contrario, ogni mese/28 giorni, 1 o 3 oociti ricominciano a fare il loro ciclo di cui 1 completa il ciclo di maturazione. A volte il globulo polare si divide altre no. Da quando si formano il follicolo primordiale, cioè regione che contiene oocita primario fermo in profase 1 a quando tutto il ciclo riprende alla pubertà, l’ambiente in sé cambia ovvero si sviluppa la relazione tra questa cellula riproduttiva con 25 MALATTIE GENOMICHE Definizione: sono le malattie, nonché alterazioni, che colpiscono una grossa quantità del contenuto genetico della cellula. ANEUPLOIDE Anomalie di numero (non corretto numero di cromosomi) è una alterazione del numero. Possono essere di diversi tipi, tra cui: ❖ Trisomie: cromosoma presente in triplice copia quindi con un eccesso di informazione. Solo alcune sono parzialmente compatibili con la vita (la tris 21, tris13, tris18). Meno tollerate quelle legate al sesso. ❖ Monosomie: cromosoma presente in singola copia anziché 2 per cui ci sono poche informazioni. Non sono compatibili con la vita. L'unico combattibile è del cormosoma X che causa la sindrome di Turner. La causa è un errore durante la meiosi perché avviene una disgiunzione. Alcune possono venire anche fasi di mitosi post zigote. La sindrome comune è il ritardo mentale, più o meno grave a seconda della porzione di cellule interessate dalla trisomia. A volte il problema è nella struttura quindi ci sono diverse alterazioni tra cui: ❖ Delezione: mancanza pezzo di cromosoma ❖ Duplicazione: pezzo di cromosoma è presente in più copie ❖ Traslocazioni: pezzo del cromosoma viene spostato su un altro cromosoma ❖ Inversioni: un segmento di cromosoma viene ruotato di 180° Solitamente, traslocazioni e inversioni non danno problemi. TRISOMIA 21-SINDORME DI DOWN Cariotipo Maschio: 47, XY+21 Femmina: 47, XX+21 Sindrome: ritardo mentale di varia entità, invecchiamento precoce, cardiopatie, … Grazie agli ultimi studi ci ha permesso di aumentare l’aspettativa di vita. La malattia detta l’aspetto esteriore. Maggior compatibile della vita e trisomia con il cromosoma più piccolo quindi la cellula è ancora fattibile gestirla. 26 TRISOMIA 13-SINDROME DI PATAU Cariotipo Maschio: 47, XY+13 Femmina: 47, XX+13 È caratterizzato da alterazione dello sviluppo degli organi interni a partire dal cervello e poi dalle malformazioni viscerali. La metà muore entro il 1° mese di vita e il 90% entro il 1 anno per complicazione cardiache, renali o neurologiche. TRISOMIA 18- SINDORME DI EDWARDS Cariotipo Maschio: 47, XY+18 Femmina: 47, XX+18 Sintomi: ritardo di crescita pre e post-natale, ipotrofia, microcefalia (più piccola del solito) o dolicocefalie (testa allungata verso parte posteriore), anomalie del piede (torti o caprino), malformazioni oculari, cardiache, del tubo digerente, dell'apparato genitourinario. Il 90% dei bambini muore il 1 anno di vita per complicazioni neurologiche, cardiache, renali o per infezioni ricorrenti. MONOMIA X- SINDORME DI TURNER Cariotipo: 45, X (colpisce solo femmine) Prevalenza: 1/2500 nate vive. Caratteristica principale: bassa statura (<150). Può essere presente ritardo mentale. Problema più grande è un’alterazione sessuale quindi a una sterilità. L’aspettativa di vita dipende da quando viene presa e qualche caratteristiche vengono presentate. Ad esempio una disfunzione cardiovascolari riduce le aspettative di vita TRISOMIA LEGATO AL SESSO SINDROME XXY/KLINEFELTER Cariotipo: 47, XXY (colpisce solo maschi) Prevalenza: 1/700 nati vivi. Dà meno problemi di quelli collegate alla X perché una delle due X, nello sviluppo embrionale, viene silenziata per cui ci sarà il corpo di Barr. Quindi si presenterà un eccesso di informazione ma la quantità letta è ridotta. Questi pazienti hanno alto rischio di patologie autoimmuni e sviluppano la ginecomastia (sviluppo del tessuto mammario). La maggioranza è infertile. 27 SINDROME DI WILLIAMS Cariotipo: 46, XY del 7q 11.23 {cromosoma 7, parte inferiore, banda 11.23) Spesso non si vede dal classico cariotipo perché un frammento molto piccolo quindi si utilizza l’analisi citogenetica molecolare. Tramite sonda fluorescente si attacca al cromosoma 7. Con un’altra sonda riconosce il pezzetto coinvolto. Questa mancanza provoca cause diverse. Si considera che è presente l’elastina quindi diversi malformazioni dei tessuti. TRASLOCAZIONE È un evento traumatico per una cellula, poiché causa instabilità, e cerca di risolvere il problema attaccando i pezzetti del cromosoma rotto. Provoca danno quando il punto di rottura interrompe l'informazione. Sono spesso in cellule tumorali. CROMOSOMA PHILADELPHIA E LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA Cariotipo: 46, XY (t9;22) Molto spesso le cellule tumorali presentavano un 9 più lungo e un 22 più corto. Nel 90% dei casi era letale. Lo sviluppo delle biotecnologie ci ha permesso di andare a leggere le informazioni dove sono state rotte. Infatti il punto di rottura interrompe l’informazione della proteina legata alla regolazione del ciclo cellulare. In questo caso, era sempre accesa quindi la cellula continuava a replicarsi (normalmente è bloccata). Per questo è stato possibile fare un farmaco e adesso è curabile per il 90% dei casi. INVERSIONE Se non interrompe nessun gene, si è portatori di inversione perché le informazioni totali non sono cambiate. Ma durante la meiosi, in particolare nella prima divisione in cui avviene l’appaiamento degli omologhi, si formano strutture atipiche. Il risultato è che, ogni tanto, si possono avere dei gameti sbilanciati perché non portano tutti i risultati. Quando c'è un problema di quantità, il danno lo subisce il soggetto stesso. Quando non c'è un problema di quantità, il danno lo può subire le generazioni successive. POLIPLOIDIA Poliploidi: 3 o più assetti cromosomici aploidi (triploidi 3n=69, tetraploidi 4n=92). Non sono compatibili con la vita o i neonati muoiono subito. La causa è un errore in post-zigote oppure nelle meiosi 2 dell’oocita in cui vinee trattenuto il globulo polare oppure non si attivano i meccanismi di chiusura dopo l’entrata del singolo spermatozoo. 30 TRASCRIZIONE Nel sito di inizio, ci sono le sequenze del promotore che avvisano la cellula che c’è un gene che può essere trascritto. Queste sequenze vengono riconosciute da proteine dette fattori di trascrizione tra cui sigma che si lega e richiama RNA polimerasi. Questa apre la doppia elica del DNA e li sposta i 2 filamenti tra cui uno va a finire nel sito catalitico. Infatti viene copiato e aggiunto nucleotidi trifosfato che possano appaiarsi a quello stampo. In sostanza, il RNA polimerasi apre i 2 filamenti, ne copia solo uno e poi richiude. Anche il RNA polimerasi è capace di correggere gli errori (attività di correzione di bozze). L'energia necessaria per legame fosfodiesterico deriva dal distacco dal distacco dei gruppi fosfati. Fasi 1. Inizio: sigma si attacca al filamento come anche RNA polimerasi. Una volta che sigma la orienta e RNA polimerasi apre la doppia elica. Inizia la trascrizione con l’aggiunta di nucleotidi trifosfato. 2. Allungamento: RNA polimerasi si stacca da sigma e, insieme ad altre proteine, copia il filamento 3. Fine: RNA polimerasi arriva a tradurre la sequenza di terminazione e il filamento si racchiude in forma a forcina. Se c’è si conclude con una sequenza ricca di A o T si stacca da solo. Altrimenti se ci sono C o G interviene la proteina Rho (con attività licasica). Si precisa che anche RNA polimerasi aggiunge nucleotidi ha una direzione 5'-3' quindi il filamento che sta copiando è 3'-5'. Il filamento 3’-5’ è detto stampo mentre l’altro senso. Il filamento finale è identico al filamento senso ma con la differenza che la citosina è sostituita dall'uracile. 31 ESPRESSIONE GENICA Nei procarioti I geni che compongono la stessa catena e lavorano insieme nella stessa reazione chimica. Questi sono posizionati uno dietro l’altro e vengono controllati da un promotore. Tra questi 2 composti, si trova l’operatore. A monte dell’operone, c’è un altro gene con il suo promotore che codifica la proteina che ne regola la trascrizione. Questo è chiamato operone LAC. Struttura finale nei procarioti Negli eucarioti Il fatto che ci sono più RNA ribosomiali è dovuto dal fatto che ci sono più geni dei procarioti e, di conseguenza, la trascrizione è più complicato perchè il prodotto è destinato a vari posti. Ulteriori differenze sono: ❖ La trascrizione e la traduzione avvengono in posti diversi a causa della morfologia: dal nucleo si sposta nel citoplasma. Nei procarioti, questi 2 processi avvengono contemporaneamente cioè una volta trascritto il filamento, già i ribosomi iniziano a tradurre. Dunque c'è una differenza spazio-temporale. ❖ I geni sono interrotti: gli esoni sono regioni informative mentre gli introni sono zone non informatore. Queste hanno dimensioni diverse: gli esoni sono molto più piccoli degli introni. Gli introni vengono eliminati quando ancora il filamento è nel nucleo. Questa fase appartiene ai processi di maturazione in particolare nello splicing. Per definire quale mRNA deve lavorare con i ribosomi, vengono aggiunte dei segnali: cap al 5' e in 3' coda di poli-A. CAPPING Cap è nucleotide in particolare guanosina che viene legata all'inizio del mRNA tramite un legame 5' - 5' trifosfato. G subisce poi una modificazione covalente in quanto viene aggiunto un gruppo metilico (metilazione). Il cap viene riconosciuta da alcune proteine con funzione di proteggere le estremità e far identificare quella molecola come rRNA. 32 SPLICING Definizione: processo nel quale gli introni sono eliminati e gli esoni sono uniti. Questo avviene tramite snRNP formate da proteine e RNA. Queste riconoscono l'inizio e la fine dell'introne (sito di ramificazione). Poi ripiega filamento, con l’aiuto di altre particelle oltre, in modo tale da avvicinare i 2 esoni. Il spliceosoma è il complesso di tutte le particelle che vanno a fare lo splicing. Il primo passaggio è quello di staccare l’introni formando una struttura chiamata lazzo e successivamente viene riciclato. CODA POLI-A È un’aggiunta di adenina alla fine del mRNA tramite una particolare proteina. Si possono legare delle proteine che riconoscono in maniera specifica la coda di poli-A e la proteggono dalla degradazione. Inoltre è un altro modo per riconoscere che è una molecola di rRNA. Struttura finale CODICE GENETICO Definizione: insieme di regole che permettono di collegare la sequenza delle basi degli acidi nucleici (presenti DNA o RNA) alla sequenza degli amminoacidi nelle proteine. Questo viene letto linearmente (non ci sono interruzioni) a 3 a 3 e infatti sono chiamata triplette. Anche definito come codone perché sono l’unità codificante. In questo modo l'ordine degli amminoacidi in una proteina corrisponde all'ordine dei codoni sull'mRNA. Il codice genetico è: ❖ Definito degenerato o ridonante perchè triplette diverse possono riferirsi allo stesso amminoacido ❖ Non è ambiguo ❖ È universale 35 LE MUTAZIONI Quando avvengono dei cambiamenti nelle sequenze dei geni in particolare in una o più coppie di basi, si verificano le mutazioni geniche. Oggi sono definite varianti perché le regioni che codificano le proteine cambiano in ogni individuo e nonostante ciò non rendono malati l’individuo. Le mutazioni possono avvenire spontaneamente durante la replicazione del DNA ma sono rari poiché esistono organismi di riparo. In alcuni casi, però, si è esposi ad agenti mutageni chimici e fisici. Ovviamente le mutazioni sono del tutto casuali e l'ambiente decide se sono vantaggiose o svantaggiose. Inoltre l’effetto è diverso se avviene in una cellula somatica (sono cellule che fanno parte del nostro corpo) o un gamete. Ovviamente, c’è già un sistema di controlli ma, a volte, gli errori riescono a passare lo stesso e a non essere corretti. ❖ Cellule somatiche: a. Morte di cellula programmata b. Neoplasia: la cellula rimane e si trasforma in cellula tumorale ❖ Gamete: a. Variante con effetto letale: la cellula muore oppure il prodotto del concepimento non si verifica b. Trasmessa alle progenie A livello molecolare può avvenire cambiamenti di tipo: ❖ Sostituzione di una o più basi ❖ Inserzione di una o più basi: aggiunzione di basi ❖ Delezione di una o più basi: eliminazione di basi Tipologia ❖ Mutazione missenso: causano la sostituzione di un amminoacido con un altro [ GAG→GTG, causa anemia falciforme] ❖ Mutazione non senso: causano la terminazione prematura della sintesi della proteina [CAG→UAG] ❖ Mutazione silenti: cambiamento all’interno di un codone che codifica per lo stesso amminoacido [AGG→CGG epr ARG]. Possono dare ugualmente problemi. ❖ Mutazione frameshift/slittamento del codice di lettura: si toglie/si aggiunge delle lettere di conseguenza tutto quello che segue viene letto in maniera diversa. ESEMPIO Sequenza corretta: AUG-CCU-CUA-GUG-UGA Met-Pro-Leu-Val-Stop Inserzione +C: AUG CCUC CUA GUG UGA → AUG-CCU-CCU-AGU-GUG-A… Met- Pro-Pro- Ser-Val-.... Delezione -C: AUG CC… CUA GUG UGA→ AUG-CCC-UAG-UGU-GA… Met- Pro-Stop 36 MUTAZIONI DA AGENTI MUTAGENI L'esposizione deriva da: ❖ Agenti fisici: radiazioni ionizzanti (raggi α, β, X) e raggi ultravioletti ❖ Agenti chimici: analoghi delle basi, reattivi delle basi (HNO2), acridine Negli agenti chimici, si possono trovare gli analoghi delle basi che sono molto simili alle basi normali. Di conseguenza vengono scambiati e inserite nella catena del DNA ma in breve tempo si staccheranno. Alcuni mutageni sono presenti sia in natura (prodotti di reazioni come le droghe) sia in alcuni farmaci (farmaci per i terapeutici). I farmaci possono provocare mutazioni inconsapevolmente oppure consapevolmente (fumo). FUMO Il fumo di tabacco è composto da miscela di fase corpuscolare (5%), costituita da catrame, e da una fase gassosa (95%), composta da più di 4 000 elementi di vario genere. Queste particelle insolubili si fissano nell'apparato broncopolmonare. È presente anche sostanza radioattiva come il polonio 210. Si stima che il rischio di mutazioni del DNA di un fumatore di 30 sigarette al giorno per un anno sia equivalente a 300 radiografie al torace. La cannabis causa insorgenza di tumore ai testicoli e di seminoma a causa dell’attivazione anomala del sistema per la formazione degli spermatozoi in risposta al principio attivo della marijuana. LE BASI GENETICHE DEL CANCRO Il cancro è una malattia complessa che colpisce le cellule e tessuti diversi dell'organismo. È caratterizzato dalla proliferazione cellulare incontrollata e dalla capacità delle cellule cancerose di colonizzare altri organi. Consegue quindi a una proliferazione anomala causato da mutazioni del DNA deputati al ciclo cellulare (si perde il controllo). Ci sono 3 geni che regolano il ciclo ❖ Proto-oncogeni: inducono o sostengono la divisione cellulare. A causa di mutazioni (detti oncogeni) sono continuamente attivi o esprimono un eccesso di prodotto inducendo le cellule a una profilazione incontrollata. Alcuni virus che causano tumori hanno già nel genoma gli oncogeni. ❖ Geni soppressori: codificano per proteine che inibiscono la divisione cellulare. La perdita o l'inattivazione di questi geni a causa di una mutazione, determina il mancato arresto della divisone cellulare quindi le cellule continuano a dividersi in modo incontrollato. ❖ Geni mutatori: coinvolti nella replicazione e nel riparo del DNA. Quando sono mutati, aumenta la frequenza di mutazioni spontanee in altri geni. RETIBLASTOMA Retiblastoma è un cancro dell'occhio dei bambini. Viene studiata perché spiega il funzionamento dei proto-oncogeni e geni soppressori. La differenza è notevole perché la mutazione del proto- oncogeni produce un motore mentre nei geni soppressori può contare sempre sull’aiuto dell’altra coppia. I meccanismi di tumori famigliari sono a carico dei proto-oncogeni. Si origina nella retina in particolare la cellula d'origine può essere una cellula precursore dei neurorecettori o una cellula staminale multipotente. Hudson studia, all’interno di questo cancro, che ci sono 2 situazioni diverse: 1. Sporadico: colpisce una persona all’interno della famiglia. Colpisce un occhio solo perché si disattivano le coppie. 2. Ereditario: all’interno della stessa famiglia ci sono più casi. Situazioni più grave perché si può arrivare ad avere più tumori nello stesso occhio oppure in tutte e i 2 gli occhi. 37 LEGGI DI MENDEL CLASSIFICAZIONE DELLE MALATTIE GENETICHE ❖ Cromosomiche: originano da alterazione nel numero o nella struttura del cromosoma ❖ Monogeniche/mendeliane: sono dovute alla mutazione di un singolo gene ❖ Multifattoriali: sono dovuti all'effetto combinati di alcuni geni e dell'ambiente ❖ Mitocondriali: le mutazioni sono a carico di geni presenti nel DNA mitocondriale. Non seguono le leggi di Mendel. DEFINIZIONI ❖ Geni: sono quelle porzioni di DNA che codificano per un'informazione genetica ❖ Alleli: sono varianti diverse dello stesso carattere modificate dallo stesso gene Esempio: gene per determinare il colore degli occhi- allele: marrone o azzurro ❖ Omozigote: individuo che presenta gli stessi alleli su entrambi i cromosomi ❖ Eterozigote: un individuo che presenta alleli diversi su 2 cromosomi ESPERIMENTI Mendel era un abate e viveva insieme agli ibritizzatori. Aveva studiato metodi di ibridazioni e già di suo aveva conoscenze matematiche. I suoi esperimenti furono fatti sulla pianta di pisello poiché è piccola, fa tanti frutti, ci mette poco tempo a riprodursi. La prima osservazione che fece fu che i caratteri di passano da una generazione all’altra. Segue la scelta dei caratteri, in questo caso il colore del fiore (bianco o rosso). Per cui si arriva ad affermare le linee pure cioè linee di piante che dagli incroci danno sempre solo un carattere. Infatti dall’incrocio di questi 2 fiori, risultano che i fiori sono solo rossi perché questo colore prevale sul bianco. 1. Legge della dominanza In un eterozigote, il gene proveniente da uno dei genitori maschera l'espressione di quello dell'altro genitore. L'allele che si manifesta viene definito dominante, quello nascosto viene definito recessivo. Il fiore ha sia gli organi femminili sia quelli maschili. Allora ha invertito i meccanismi: anziché usare come maschio il fiore rosso, usa quello bianco. Il risultato è lo stesso. 2. Legge segregazione Quando si formano i gameti (nella meiosi) i due geni si comportano come unità discrete: ogni cellula sessuale contiene solo un membro di ogni coppia. 3. Legge di assortimento indipendente Due caratteri diversi presenti su cromosomi diversi vengono ereditari in maniera indipendente l'uno dall'altra. Esempio: se un figlio eredita l’allele biondo per i capelli potrà ereditare indifferentemente l'allele marrone o l'allele verde degli occhi. Può succedere che gli alleli siano malati quindi si avranno malattie dominanti o recessivi.