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SCIENZE BIOMEDICHE 1
| BIOLOGIA E GENETICA Università degli Studi di Milano-Bicocca Prof. Luca Mologni |
ESSERI VIVENTI
Gli esseri vivent i condividono caratteristiche fondamentali che li distinguono dagli oggetti inanimati. Sono sistemi complessi con istruzioni genetiche definite: il DNA negli esseri umani e l’RNA nei virus. Hanno la capacità di accrescersi, riprodursi e adattarsi all’ambiente attraverso l’evoluzione.
Dal punto di vista cellulare, si classificano in due grandi categorie: procarioti , cellule più semplici come quelle dei batteri, ed eucarioti , cellule più complesse che costituiscono esseri umani, piante e animali. Inoltre, gli esseri viventi possono essere unicellulari, formati da una sola cellula, oppure pluricellulari, composti da più cellule specializzate.
Un’altra distinzione fondamentale riguarda il modo di nutrirsi: gli autotrofi producono da soli il proprio nutrimento (come le piante che usano la fotosintesi), mentre gli eterotrofi devono introdurre molecole organiche per ottenere energia (come gli animali e l’uomo).
Queste caratteristiche ci portano a una visione unificata della vita, rappresentata dall’albero della vita. Tutti gli organismi viventi derivano da un antenato comune. Da questo antenato, la vita si è divisa in due grandi gruppi: i batteri e un altro gruppo che comprende gli eucarioti (organismi con cellule complesse) e gli archeobatteri (organismi simili ai batteri ma con caratteristiche uniche).
Nonostante la grande diversità tra gli esseri viventi, tutte le cellule hanno una composizione simile. Circa il 70% della cellula è costituito da acqua , mentre il restante 30% è composto da altre sostanze come piccole molecole , lipidi, acidi nucleici, proteine e carboidrati, che appartengono al gruppo delle macromolecole.
ACQUA L’acqua è una molecola straordinaria con proprietà uniche. È un dipolo , cioè presenta una parziale carica positiva sui suoi atomi di idrogeno e una parziale carica negativa sull’atomo di ossigeno. Questa caratteristica le consente di essere un ottimo solvente per molecole cariche, come gli ioni positivi (cationi) e gli ioni negativi (anioni). Questo avviene grazie all’interazione elettrostatica tra le cariche degli ioni e le parziali cariche presenti nella molecola d’acqua.
Le molecole d’acqua interagiscono tra loro tramite legami a idrogeno , che si formano tra l’atomo di idrogeno parzialmente positivo di una molecola e l’atomo di ossigeno parzialmente negativo di un’altra. Questi legami a idrogeno conferiscono all’acqua proprietà peculiari: ad esempio, l’acqua solida (ghiaccio) è meno densa dell’acqua liquida. Questo avviene perché, nel ghiaccio, i legami a idrogeno creano una struttura rigida e ordinata, che intrappola spazi vuoti tra le molecole, rendendo il ghiaccio più leggero e permettendogli di galleggiare sull’acqua liquida.
Un’altra proprietà fondamentale dell’acqua è la sua elevata capacità termic a, che significa che l’acqua può assorbire e rilasciare grandi quantità di calore senza subire variazioni significative di temperatura. Questa caratteristica è cruciale per l’organismo, in quanto aiuta a mantenere costante la temperatura corporea, evitando sbalzi termici dannosi.
IL RESTANTE 30% Il 30% della cellula è costituito da composti a base di carbonio , che è un elemento chimico estremamente versatile. Il carbonio può formare una varietà di gruppi funzionali, come:
- Alcoli (-OH) , caratterizzati dalla presenza di un gruppo ossidrilico.
- Aldeidi (-CHO), che contengono un gruppo carbonile legato a un atomo di idrogeno.
- Chetoni (-CO), con un gruppo carbonile legato a due catene carboniose.
- Acidi carbossilici (-COOH ), che presentano un gruppo carbossilico. -Esteri , derivati dagli acidi carbossilici per sostituzione del gruppo -OH con un gruppo alchilico.
CARBOIDRATI I carboidrati sono molecole organiche definite come polialcoli, ossia catene di carbonio a cui sono legati numerosi gruppi - OH (ossidrili) e gruppi H (idrogeno). In base alla loro struttura chimica, si possono distinguere in due principali tipologie: aldosi , che terminano con un gruppo aldeidico (-CHO), e chetosi , che contengono un gruppo chetonico (-CO).
I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi , composti da una singola unità di zucchero. Questi possono essere classificati in base al numero di atomi di carbonio presenti nella loro struttura. Per esempio:
- Desossiribosio e ribosio sono pentosi (a 5 atomi di carbonio), essenziali per la formazione del DNA e dell’RNA. - I chetopentosi , invece, presentano un gruppo chetonico.
Quando più monosaccaridi si uniscono tramite legami glicosidici, si formano i polisaccaridi. Questi legami possono essere di tipo α (alfa) o β (beta):
- I polisaccaridi con legami α , come l’amido, sono facilmente digeribili dall’uomo e rappresentano una fonte importante di energia. - I polisaccaridi con legami β , come la cellulosa, non possono essere digeriti dagli esseri umani perché i legami β sono molto più resistenti. La cellulosa, infatti, è utilizzata dalle piante per scopi strutturali.
LIPIDI I lipidi svolgono numerosi ruoli vitali nell’organismo, tra cui la riserva energetic a, la funzione strutturale (specialmente nelle membrane cellulari), l ’isolamento termico , e la trasmissione dello stimolo nervoso. I lipidi principali sono gli acidi grassi, che sono catene di atomi di carbonio di lunghezza variabile con un gruppo carbossilico (-COOH) alla fine.
Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi:
- Gli acidi grassi saturi non hanno doppi legami tra gli atomi di carbonio e tendono a essere solidi a temperatura ambiente, come l’acido stearico.
- Gli acidi grassi insaturi hanno almeno un doppio legame tra carbonio, il che li rende più fluidi a temperatura ambiente, come l’acido oleico.
Le membrane cellulari sono composte da lipidi che, come l’acido oleico, contribuiscono a rendere le membrane fluide e mobili, mentre gli acidi grassi saturi come l’acido stearico tendono a rendere le membrane più rigide.
Esistono 3 forme di lipidi, trigliceridi, fosfolipidi e sfingolipidi:
- I trigliceridi sono una forma di lipidi composta da una molecola di glicerolo unita a tre acidi grassi. Sono principalmente utilizzati come riserva energetica nelle cellule e nei tessuti adiposi.
- I fosfolipidi , che sono fondamentali nelle membrane cellulari, sono costituiti da una molecola di glicerolo legata a due acidi grassi e a un gruppo fosfato. Questi lipidi hanno una struttura particolare:
- Testa polare (idrofila) che interagisce con l’acqua grazie al gruppo fosfato.
- Code non polari (idrofobe), composte da catene di carbonio e idrogeno, che respingono
Nel DNA, le basi azotate si appaiano in modo specifico:
- Adenina (A) si lega con Timina (T) tramite due legami idrogeno.
- Citosina (C) si lega con Guanina (G) tramite tre legami idrogeno, ed è per questo motivo che il legame tra C e G è più forte rispetto al legame A-T.
Nell’RNA, uracile (U) prende il posto della timina e si appaia con adenina (A).
Per contenere tutte le informazioni genetiche senza occupare troppo spazio, il DNA nelle cellule eucariotiche è compattato in strutture chiamate cromosomi. Il DNA si arrotola attorno a proteine chiamate istoni , formando strutture chiamate nucleosomi. I nucleosomi sono come “perline” lungo un filo di DNA. Questi nucleosomi, a loro volta, si arrotolano ancora più strettamente per formare una struttura compatta chiamata cromatina.
Esistono diversi tipi di RNA:
- RNA messaggero (mRNA): È la copia temporanea dell’informazione genetica nel DNA. Il mRNA viene trascritto dal DNA e poi trasporta l’informazione dal nucleo al citoplasma, dove avviene la sintesi proteica.
- R NA ribosomiale (rRNA) : Fa parte della struttura dei ribosomi, che sono le “fabbriche” che sintetizzano le proteine.
- RNA di trasporto (tRNA): Il tRNA è responsabile di trasportare gli amminoacidi necessari per costruire una proteina. Ha una struttura che gli consente di legare un amminoacido specifico e portarlo al ribosoma per essere aggiunto alla catena proteica durante la sintesi proteica.
Il flusso dell’informazione genetica segue una sequenza precisa:
- Trascrizione : Il DNA viene copiato in RNA messaggero (mRNA).
- Traduzione : L’mRNA viene utilizzato dai ribosomi per costruire una proteina. Il ribosoma legge l’mRNA e usa i tRNA per assemblare gli amminoacidi nella corretta sequenza.
Nel caso delle cellule procariote (come i batteri), la trascrizione e la traduzione avvengono quasi contemporaneamente, perché non c’è una membrana nucleare che separa il DNA dal citoplasma.
Il tRNA ha il compito di trasportare gli amminoacidi alle corrette posizioni durante la traduzione della sequenza di mRNA in proteine. Ogni tRNA riconosce una sequenza di tre basi chiamata codone nell’mRNA e porta l’amminoacido corrispondente. Una volta che il ribosoma legge il codone, il tRNA rilascia l’amminoacido, che viene aggiunto alla catena polipeptidica crescente.
PROTEINE Le proteine sono molecole composte da catene di amminoacidi, che sono i loro “mattoni”. Ogni amminoacido ha una struttura base costituita da un atomo di carbonio centrale (Cα), un gruppo amminico (-NH2), un gruppo carbossilico (-COOH), un gruppo laterale chiamato gruppo R che varia a seconda dell’amminoacido e conferisce a ciascun amminoacido le sue proprietà uniche, ad esempio Glicina ha un gruppo R molto semplice, un idrogeno, invece Arginina ha un gruppo R più
complesso con una guanidina che gli conferisce una carica positiva.
La catena laterale R è la parte variabile dell’amminoacido. Può essere polare (affinità con l’acqua) e non polar e (tipicamente idrofobica, quindi si allontana dall’acqua); può essere poi con carica (positiva o negativa), che determina se l’amminoacido è basico o acido.
Quando due amminoacidi si uniscono per formare una proteina, il gruppo amminico di un amminoacido reagisce con il gruppo carbossilico di un altro amminoacido, creando un legame peptidico e liberando una molecola d’acqua (reazione di condensazione). Questo legame forma la catena peptidica, che è la sequenza di amminoacidi della proteina.
Ogni catena di amminoacidi ha due estremità:
- L’estremità amminica (N-terminale), che è l’estremità della catena con un gruppo amminico libero.
- L ’estremità carbossilica (C-terminale), che è l’estremità della catena con un gruppo carbossilico libero.
La proteina può avere diverse strutture:
● Struttura primaria: La struttura primaria di una proteina è semplicemente la sequenza lineare di amminoacidi, collegati da legami peptidici. È il codice genetico che definisce la proteina.
● Struttura secondaria: Una volta che la catena peptidica è formata, essa si ripiega su sé stessa, formando strutture locali:
- Alfa elica: Una spirale che si stabilizza con legami a idrogeno tra amminoacidi.
- Foglietto beta: Struttura a pieghe che si stabilizza anch’essa con legami a idrogeno tra amminoacidi disposti su catene parallele o antiparallele.
CELLULE
Le cellule sono l’unità fondamentale di tutti gli esseri viventi. Ogni cellula è strutturata in modo tale da avere una membrana che separa il suo contenuto dall’ambiente esterno, e al suo interno contiene materiale genetico, come il DNA, che le consente di riprodursi e svolgere funzioni vitali. Le cellule possono essere di due tipi principali:
- Cellule procariote : Sono tipiche dei batteri e hanno una struttura semplice. Non hanno un nucleo definito e il loro DNA si trova in una regione chiamata nucleoide. Inoltre, hanno una membrana plasmatica e spesso una parete cellulare.
- Cellule eucariote : Sono più complesse e si trovano negli esseri viventi come piante, animali, funghi e protisti. Il loro DNA è racchiuso all’interno di un nucleo, ed esistono vari organelli cellulari ( RE, apparato del golgi, mitocondri, lisosomi, ribosomi, citoplasma..) che svolgono funzioni specifiche.
Reticolo endoplasmatico (RE): Il reticolo endoplasmatico è un sistema di membrane interne interconnesse che si estendono attraverso il citoplasma. È diviso in due regioni principali:
- Reticolo endoplasmatico rugoso (RER): È chiamato “rugoso” perché sulla sua superficie sono attaccati dei ribosomi, che sono responsabili della sintesi delle proteine. Il RER sintetizza proteine che saranno poi utilizzate all’interno della cellula o esportate all’esterno.
- Reticolo endoplasmatico liscio (REL) : Non ha ribosomi sulla sua superficie, ed è coinvolto principalmente nella sintesi di lipidi, come acidi grassi e fosfolipidi, ma anche nel metabolismo del calcio e nella detossificazione di sostanze dannose.
Inoltre, il reticolo endoplasmatico è una grande riserva di ioni calcio, che sono importanti per la regolazione di molte funzioni cellulari, come la contrazione muscolare e la trasmissione del segnale.
Apparato del Golgi: L’apparato del Golgi è un organello composto da sacchetti membranosi impilati. La sua funzione principale è quella di modificare e smistare le molecole sintetizzate nel reticolo endoplasmatico. Le molecole, come le proteine, vengono trasportate dal reticolo endoplasmatico all’apparato del Golgi tramite piccole vescicole.
Le vescicole sono piccole sacche di membrana che trasportano materiali tra i vari organelli. Una volta arrivate al Golgi, le molecole possono subire modifiche, come l’aggiunta di gruppi zuccherini (glicosilazione), per diventare molecole mature.
L’apparato del Golgi è diviso in Regione cis (entrata) (dove arrivano le vesicole dal reticolo endoplasmatico), Regione media (dove avviene la modifica delle molecole) e Regione
trans (uscita) (da dove le vesicole modificate vengono inviate verso le destinazioni finali, come la membrana cellulare, i lisosomi o altre aree della cellula).
Mitocondri: I mitocondri sono noti come le centrali energetiche della cellula, poiché producono l’energia necessaria per molte funzioni cellulari sotto forma di ATP (adenosina trifosfato). L’ATP è una nucleotide che immagazzina energia. La cellula utilizza l’ATP per eseguire compiti come il trasporto di molecole, la contrazione muscolare, e la sintesi di proteine.
I mitocondri hanno una membrana doppia: La membrana esterna è liscia e la membrana interna è invaginata (si piega su sé stessa) formando delle strutture chiamate creste mitocondriali. Questo ripiegamento aumenta la superficie per la produzione di ATP.
Tra le due membrane si trova uno spazio intermembranoso.
La produzione di ATP nei mitocondri avviene tramite un processo chiamato fosforilazione ossidativa , che fa parte della respirazione cellulare. In questo processo:
- Il glucosio viene ossidato, liberando energia.
- Gli elettroni vengono trasferiti lungo una serie di proteine nella catena di trasporto degli elettroni, situata nella membrana interna del mitocondrio.
- Gli elettroni perdono energia durante il loro trasporto, che viene usata per pompare protoni (H+) attraverso la membrana, creando un gradiente di concentrazione di protoni.
- Questo gradiente di protoni genera una pressione osmotica , e i protoni vogliono entrare di nuovo nel mitocondrio, ma possono farlo solo attraverso un enzima chiamato ATP sintasi.
- Quando i protoni passano attraverso l ’ATP sintas i, l’energia rilasciata viene usata per sintetizzare ATP.
L’ossigeno (O2) è l’accettore finale di elettroni e reagisce con i protoni per formare acqua. Questo è il processo che permette alla cellula di ottenere energia sotto forma di ATP.
Si ritiene che il cloroplasto derivi da un antico batterio fotosintetico che, miliardi di anni fa, è stato inglobato da una cellula eucariotica ancestrale in un processo di endosimbiosi, simile a quello che ha portato alla formazione dei mitocondri. Questo evento ha segnato l’inizio dell’evoluzione delle piante, rendendole capaci di produrre il proprio nutrimento attraverso la fotosintesi. Pertanto, si può dire che le piante abbiano compiuto un ulteriore passo evolutivo rispetto agli animali, sviluppando questa straordinaria capacità di sfruttare direttamente l’energia solare per il proprio metabolismo.
Lisosomi
I lisosomi sono organuli cellulari con funzioni digestive, fondamentali per la degradazione di materiali di vario tipo. Essi degradano organelli non più funzionali, macromolecole e particelle assunte dalla cellula tramite endocitosi. Esse presentano una membrana singola. inoltre, il loro pH interno è acido (circa 5), condizione necessaria per l’attività degli enzimi contenuti.
Le reazioni di degradazione all’interno dei lisosomi avvengono per idrolisi e sono catalizzate da vari enzimi, come nucleasi e proteasi.
Questi enzimi rompono legami chimici nelle macromolecole, contribuendo al riciclo di componenti cellulari e alla sintesi di nuove molecole.
Perossisomi
I perossisomi sono organuli responsabili della degradazione di acidi grassi e di composti tossici, contribuendo così al metabolismo cellulare e alla detossificazione.
Anche i perossisomi hanno una membrana singola. Contengono diversi enzimi, tra cui ossidasi e catalasi, che svolgono reazioni di ossidazione.
Una sua funzione è di degradazione degli acidi grassi tramite processi di β-ossidazione e neutralizzazione di composti tossici come il perossido di idrogeno (H₂O₂), che viene trasformato in acqua e ossigeno grazie alla catalasi.
Citoscheletro
Il citoscheletro è una rete complessa di filamenti proteici che fornisce supporto strutturale alla cellula e ne permette il movimento interno ed esterno. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, gli organelli cellulari non fluttuano liberamente nel citoplasma, ma sono ancorati e organizzati grazie a questa struttura reticolare. Il termine “citoscheletro” significa letteralmente “scheletro della cellula”, ed è composto
da tre tipi principali di filamenti proteici: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli.
- Microfilamenti
I microfilamenti sono i filamenti più sottili del citoscheletro e sono costituiti da monomeri di una proteina globulare chiamata actina. Questi monomeri si assemblano in filamenti formando una doppia elica. I microfilamenti hanno una localizzazione prevalente nella periferia della cellula, appena sotto la membrana cellulare. Sono strutture dinamiche, capaci di allungarsi o accorciarsi rapidamente in risposta a stimoli, consentendo alla cellula di muoversi o cambiare forma. Questo processo di polimerizzazione permette, ad esempio, l’avanzamento della membrana plasmatica, facilitando il movimento cellulare.
- Filamenti intermedi
Come suggerisce il nome, i filamenti intermedi hanno uno spessore intermedio rispetto ai microfilamenti e ai microtubuli. Sono costituiti da proteine che si assemblano formando strutture robuste simili a bastoncelli. La loro funzione principale è strutturale: agiscono come un’impalcatura che dà forma e stabilità alla cellula.
Una caratteristica importante dei filamenti intermedi è la loro specificità tissutale. Ad esempio: Negli epiteli, come la pelle, troviamo le cheratine, che compongono anche annessi come capelli e unghie e Nei neuroni sono presenti i neurofilamenti, specifici del tessuto nervoso. Alcuni filamenti intermedi, come la lamina, sono presenti all’interno del nucleo cellulare, formando una struttura che rinforza la membrana nucleare interna.
Se osservati tramite tecniche di immunofluorescenza, i filamenti intermedi delineano l’intera forma della cellula, confermando il loro ruolo di supporto.
- Microtubuli
I microtubuli sono i filamenti più spessi del citoscheletro, con un diametro di circa 20- nanometri. Sono costituiti da due proteine simili chiamate tubulina α e tubulina β, che si assemblano formando strutture cilindriche cave. Ogni microtubulo è formato da 13 protofilamenti disposti a cerchio.
Anche i microtubuli sono dinamici: si allungano rapidamente all’estremità positiva, mentre l’estremità negativa cresce più lentamente o si accorcia. Questo processo consente ai microtubuli di spostarsi all’interno della cellula, fungendo da “autostrade” per il trasporto di vescicole e organelli.
I microtubuli svolgono inoltre un ruolo cruciale nella divisione cellulare: formano il fuso mitotico, responsabile della separazione dei cromosomi durante la mitosi.
La comunicazione tra cellule può avvenire in diversi modi, a seconda della distanza tra la cellula che invia il segnale e quella che lo riceve:
- Segnalazione per contatto : Due cellule interagiscono direttamente tramite proteine di membrana. È tipica dello sviluppo embrionale e del sistema immunitario.
- Segnalazione autocrina: La cellula emette un segnale che viene ricevuto da sé stessa. Questo tipo di segnalazione è importante nei processi di regolazione e differenziazione cellulare.
- Segnalazione paracrina : Una cellula rilascia un segnale che agisce su cellule vicine. Questo è comune nella comunicazione tra cellule di uno stesso tessuto.
- Segnalazione endocrina: Il segnale (spesso un ormone) viaggia attraverso il sistema circolatorio, permettendo la comunicazione tra cellule distanti. Un esempio tipico è l’azione degli ormoni prodotti dalle ghiandole endocrine.
- Segnalazione sinaptica: Specifica dei neuroni, è un tipo particolare di segnalazione che combina impulsi elettrici e segnali chimici. Il segnale viaggia lungo l’assone del neurone come impulso elettrico, inducendo il rilascio di neurotrasmettitori che agiscono sulla cellula target.
Comunicazione Cellulare e Tipologie di Recettori
La comunicazione cellulare è un processo essenziale che consente alle cellule di ricevere e rispondere a segnali chimici, garantendo il corretto funzionamento dell’organismo. Questi segnali vengono ricevuti da recettori specifici, che si trovano in due principali posizioni all’interno della cellula: recettori intracellulari e recettori di superficie.
- Recettori Intracellulari Questi recettori si trovano all’interno della cellula, generalmente nel citoplasma. Sono tipici per segnali di natura lipofila (come gli ormoni steroidei, ad esempio il testosterone). Essendo lipofili, questi segnali attraversano facilmente la membrana cellulare e vengono riconosciuti dal recettore intracellulare. Una volta legato il segnale, il complesso recettore-segnale entra nel nucleo e regola la trascrizione genica, modulando l’espressione di specifici geni. 2. Recettori di Superficie Questi recettori si trovano sulla membrana cellulare e sono necessari per ricevere segnali che non possono attraversare la membrana, come proteine, peptidi e altre molecole polari. A seconda del meccanismo di trasduzione del segnale, i recettori di superficie si classificano in diverse categorie: - Recettori Accoppiati a Proteine G (GPCR) Trasmettono il segnale attraverso una proteina G, che agisce come intermediario. Il segnale (o ligando) si lega al recettore. Poi, il recettore attiva una proteina G, che lega il GTP. La proteina G attivata stimola un effettore (di solito un enzima) e l’effettore produce dei secondi messaggeri, che amplificano il segnale all’interno della cellula. - Recettori Associati a Enzimi Trasmettono il segnale attivando direttamente un enzima effettore, senza bisogno della proteina G. Il segnale si lega al recettore. Il recettore attiva un enzima (spesso una chinasi) situato sulla
Queste proteine trasmettono l’informazione lungo la catena. A seconda del tipo di segnale, le proteine possono attivare fattori di trascrizione che modificano l’espressione genica, enzimi che producono sostanze chimiche o proteine del citoscheletro che modificano la struttura della cellula.
Alla fine della cascata c’è sempre un effettore che porta a un cambiamento biologico.
Le proteine vengono attivate in vari modi, tra cui due meccanismi principali:
- Fosforilazione : Molte proteine eucariote vengono attivate quando un gruppo fosfato viene attaccato a specifici aminoacidi. La fosforilazione accende la proteina, mentre la de-fosforilazione (rimozione del fosfato) la spegne. Questo processo è mediato da enzimi chiamati chinasi e fosfatasi.
- Legame al GTP: Un altro meccanismo comune per l’attivazione delle proteine è il legame al GTP. Quando una proteina legata a GTP è attiva, compie il suo lavoro. Successivamente, la proteina idrolizza il GTP, rilasciando un fosfato e tornando in una forma inattiva.
Un esempio specifico di trasduzione del segnale avviene quando un recettore accoppiato a una proteina G riceve un segnale. La sequenza di attivazione è la seguente:
- Attivazione della Proteina G: Il recettore, formato da una sola proteina trasmembrana, riconosce il segnale. Quando il segnale arriva, la proteina G (composta dalle subunità alfa, beta e gamma) si lega al GDP e diventa inattiva. Quando il recettore viene attivato, la proteina G scambia il GDP con il GTP, diventando attiva.
- Trasmissione del Segnale: La subunità alfa della proteina G, ora attiva, si separa e attiva l’adenilato ciclasi, un enzima di membrana. L’adenilato ciclasi, a sua volta, produce AMP ciclico (cAMP), che funge da secondo messaggero. Il cAMP attiva altre proteine che portano alla risposta finale della cellula.
- Inattivazione del Segnale: Una volta che il segnale ha fatto il suo corso, il cAMP viene degradato, e la proteina G si disattiva idrolizzando il GTP in GDP, tornando alla sua forma inattiva.
I recettori che non necessitano di proteine G ma che richiedono un “assistente” come un effettore, sono spesso sfruttati dal sistema immunitario per rispondere a segnali come citochine e fattori di crescita. Questi recettori sono coinvolti in vie di segnalazione che si attivano in tre fasi principali, ognuna delle quali ha un ruolo fondamentale nel controllo di risposte cellulari, come la crescita, la divisione e la sopravvivenza delle cellule.
Via di Segnalazione JAK-STAT (Tipica del Sistema Immunitario):
- Recettore e Ligando: I recettori per citochine come interleuchina 2, interleuchina 7, eritropoietina, e il fattore dei macrofagi, legano il loro ligando, che è la citochina specifica. Questi recettori attivano una proteina effettore chiamata JAK (Janus chinasi).
- Attivazione di JAK: Quando il recettore si lega al ligando, la proteina JAK si attiva. JAK è una chinasi che fosforila il recettore stesso e altre proteine, innescando una cascata di segnali intracellulari.
- Fosforilazione di STAT: JAK fosforila una proteina chiamata STAT (Signal Transducers and Activators of Transcription). Una volta fosforilata, STAT forma un dimerico (due unità si uniscono) e migra verso il nucleo, dove attiva la trascrizione di specifici geni coinvolti nelle risposte immunitarie e nella regolazione della crescita cellulare.
Questa via di segnalazione, chiamata appunto via JAK-STAT, è essenziale per la regolazione di funzioni cruciali come la risposta immunitaria, la crescita cellulare, la sopravvivenza e la differenziazione.
Nella cellula, i vari segnali non sono processati separatamente, ma spesso le vie di segnalazione si intrecciano. Proteine che sono coinvolte in una via di segnalazione possono essere anche attivate in altre vie, creando così un processo chiamato “cross-talk”. Questo parlarsi tra vie di segnalazione consente una risposta cellulare più coordinata e complessa agli stimoli esterni.
Una volta che il segnale è stato trasdotto all’interno della cellula, l’effetto finale può essere di due tipi:
- Risposta Rapida: In alcuni casi, la cellula risponde rapidamente, modificando funzioni metaboliche come l’attività enzimatica. Ad esempio, modifiche nel metabolismo cellulare o nel rimodellamento del citoscheletro possono avvenire rapidamente, in pochi minuti.
- Risposta Lenta: In altri casi, la risposta richiede più tempo, perché implica la trascrizione di nuovi geni e la sintesi di nuove proteine. Queste risposte sono solitamente legate a processi come la proliferazione cellulare, la differenziazione o la sopravvivenza cellulare.
Ogni gene nel DNA è preceduto da una sequenza chiamata promotore, che è riconosciuta dall’RNA polimerasi. Il promotore è una sequenza di nucleotidi che indica alla polimerasi dove iniziare la trascrizione e in quale direzione procedere.
A seconda della posizione e orientamento del promotore, la polimerasi saprà se deve leggere il filamento in direzione 5’→3’ o 3’→5’. Questo determina quale dei due filamenti verrà utilizzato come stampo per la trascrizione. Infatti se usassi il filamento rosso, si crea un RNA completamente diverso. Quindi devo leggerlo da destra.
Ogni gene ha un’unica direzione di lettura che produce un RNA valido. L’altra direzione viene definita come antisenso e non ha funzione, anche se viene occasionalmente studiata per comprenderne il ruolo.
La trascrizione è il processo attraverso il quale l’informazione contenuta nel DNA viene copiata in una molecola di RNA. In particolare, l’RNA messaggero (mRNA) viene prodotto come copia del DNA che contiene l’informazione genetica necessaria per la sintesi delle proteine.
Il processo di trascrizione inizia quando l’enzima RNA polimerasi si lega al promotore, una sequenza di DNA che segnala l’inizio di un gene. Dopo il legame con il promotore, la RNA polimerasi inizia ad “aprire” la doppia elica del DNA, separando i due filamenti per accedere al filamento stampato.
Le proteine di apertura della doppia elica (come le elicasi) facilitano questa separazione, permettendo alla RNA polimerasi di leggere il filamento stampo e iniziare la sintesi dell’RNA.
Durante la trascrizione, l’RNA polimerasi aggiunge ribonucleotidi uno alla volta. Ogni ribonucleotido è costituito da una base azotata (adenina, uracile, citosina o guanina), uno zucchero (ribosio) e tre gruppi fosfato.
La RNA polimerasi lega il primo nucleotide al gruppo OH libero del ribosio dell’RNA in crescita. Il fosfato del nucleotide successivo si lega al gruppo OH del nucleotide precedente, liberando energia attraverso l’idrolisi dei fosfati.
La sintesi dell’RNA avviene sempre in direzione 5’→3’, cioè dal lato con il gruppo fosfato verso il lato con il gruppo OH.
Mentre l’RNA polimerasi continua a leggere il DNA, il filamento di RNA inizia a distaccarsi dal DNA, rimanendo come una singola catena. Dietro alla RNA polimerasi, il DNA si riavvolge in una doppia elica.
La trascrizione si conclude quando la polimerasi incontra una sequenza di terminazione, che indica alla RNA polimerasi di staccarsi dal DNA e rilasciare il trascritto di RNA.
Nei procarioti (batteri), l’RNA messaggero viene trascritto in un’unica sequenza che contiene l’informazione per la produzione di più proteine. Questo processo è molto semplice: l’RNA messaggero viene trascritto e usato direttamente per produrre le proteine, senza bisogno di processamenti complessi.
Negli eucarioti (come gli esseri umani), i geni sono più complessi. L’RNA messaggero viene trascritto come trascritto primario che contiene sia esoni (le parti codificanti per la proteina) sia introni (le parti non codificanti). Gli introni vengono rimossi attraverso un processo chiamato splicing, e gli esoni vengono uniti per formare un RNA messaggero maturo.
