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Biologia Applicata, Dispense di Biologia Applicata

Una panoramica sulla biologia e la genetica, con particolare attenzione alle proteine e alla loro struttura e funzione. Vengono inoltre descritte le cellule, il DNA, il nucleo e il sistema endomembranoso. Il testo è utile per chi vuole approfondire le basi della biologia e della genetica.

Tipologia: Dispense

2022/2023

In vendita dal 13/12/2023

giulio-pio-cosentino
giulio-pio-cosentino 🇮🇹

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Scarica Biologia Applicata e più Dispense in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! BIOLOGIA APPLICATA La biologia e la genetica sono alla base della vita e del movimento. Gli organismi viventi sono costituiti da diversi tipi di macromolecole a > carboidrati; > acidi grassi; * Bcidi ici: >» proteine, raggruppate in specifiche unità biochimiche delimitate da membrane dette cellule. Le cellule sono i componenti fondamentali che compongono un organismo e inoltre, tutte le cellule sono dotate di un codice genetico universale (DNA) che determina la produzione di proteine. Il DNA è universale dal punto di vista della struttura, ma ogni DNA presenta determinati geni che danno origine a determinate proteine. Tutte le cellule replicano la loro informazione e a seconda di quanto una cellula risulta evoluta può essere un fenomeno di 3 >» riproduzione; > om i + regolazione dell'ambiente interno per la sopravvivenza del tessuto. Per far sì che le cellule svolgano la loro funzione sono necessarie le macromolecole viste in precedenza, le quali sono costituite da molecole più piccole dette monomeri. Una macromolecola è un polimero complesso (es. carboidrato + polisaccaride). Il monomero (es. monosaccaride) è l'unità fondamentale (mattone) che forma la molecola. amminoacido — polipeptide (proteina) monosaccaride — polisaccaride (carboidrato) nucleotide + acido nucleico Le molecole funzionano ed interagiscono con altre molecole a seconda delle proprietà dei gruppi funzionali presenti nei monomeri. Proteine Le proteine sono i principali attori dei processi biologici e svolgono diverse funzioni 3 > accelerare le reazioni biochimiche — enzimi; >» dare stabilità e veicolare i movimenti — proteine strutturali; > difendere l'organismo dell'ambiente esterno riconoscendo ciò che è selfe ciò che è not self; risposta immunitaria — proteine di difesa; segnalazione tra cellule adiacenti per poter sopravvivere + recettori; trasporto di sostanze attraverso le membrane e nell'organismo — proteine di trasporto; immagazzinamento di sostanze eccessive inglobandole per un uso futuro — proteine di accumulo; regolazione di espressione di un gene nel tempo + proteine di regolazione genica. VVVNY Le proteine sono delle macromolecole i cui monomeri sono costituiti da subunità (20 amminoacidi essenziali) che combinandosi tra loro formano catene polipeptidiche che possono avere dimensioni variabili. Molte proteine sono costituite da più di una catena polipeptidica, ognuna delle quali può ripiegarsi su se stessa formando una struttura tridimensionale. La variabilità (quantità, tipo e dimensione) degli aminoacidi consente la presenza di diversi tipi di proteine con strutture e funzioni differenti. | livelli di organizzazione delle proteine possono essere differenti + » struttura primaria —> semplice sequenze di amminoacidi; » Struttura secondaria — tridimensionale; > Struttura terziaria — catena polipeptidica; > Struttura quaternaria — subunità associate. Struttura Struttura Struttura Struttura primaria secondaria terziaria quateraria residui ammincacidi celca Catena po'ipepliica Suburità associate La struttura e la forma di una proteina le consentono di legarsi non covalentemente ad un'altra molecola (ligando) consentendo di realizzare altri eventi biologici. Zia OLO Messi 0° @® pineto) 020 cettone @ ricazone recstregando | @ Fisposto convian 7 | Nucueo @ russi su messaggeri ® darespressine erica La specificità biologica di una proteina determina la funzione di questa e dipende dalla 3 » forma — una molecola si lega ad una proteina solo se queste due si adattano reciprocamente; le varie proteine subiscono cambiamenti conformazionali che le attivano o inattivano; >» chimica — i gruppi funzionali sulla superficie di una proteina (catene laterali di amminoacidi esposti) promuovono interazioni chimiche con altre sostanze. Una proteina che perde la conformazione nativa viene detta denaturata (può comportare una perdita di funzioni biologiche). 2 Sr | Le variazioni ambientali che influenzano la struttura delle proteine sono @ di » ‘aumento della temperatura — accelera la rottura dei legami H; CJ > variazioni di pH — modifica le interazioni tra amminoacidi; 7 x > sostanze polari e apolari — modificano l'integrazione tra legami H; Proteina normale _p st la denaturazione di una proteina può essere 3 / Proteina denaturata La rinaturazione può essere impossibile! > revei — es. elastina; i Tie RE x Una proteina può in certe condizioni > non reversibile. essere denaturata in modo irreversibile, per esempio dal calore. La forma delle proteine può variare quando le proteine interagiscono con altre molecole o quando subiscono modificazioni covalenti. L'RNA messaggero è uno degli acidi nucleici che deriva dalla copiatura del DNA. Le informazioni nell'mRNA danno origine ad una determinata proteina (sintesi proteiche). Nucleo il nucleo è l'organello più grande della cellula (ha un diametro di 5 micron). Contiene la maggior parte del materiale genetico (DNA) ed è la sede di replicazione di questo. All'interno presenta un nucleolo, il quale avvia la formazione dei ribosomi che poi fuoriescono nel citoplasma. Versanto nudeare La membrana nucleare presenta dei pori nucleari che permettono il collegamento tra l'interno del nucleo di citoplasma; ogni poro è circondato da 8 grandi aggregati proteici che formano un ottagono e sono in corrispondenza dei quali la membrana interna si fonde con quella esterna. La restante membrana nucleare è costituita da laminina (fitta rete), la quale durante il processo di replicazione, quando avviene la divisione del materiale genetico, si disgrega e mette il materiale genetico a disposizione. All'interno del nucleo è presente il DNA condensato (cromatina nucleare), la cui massima condensazione si ha durante la mitosi ottenendo i cromosomi (dai 2 metri di DNA si ottiene una struttura di pochi micron). corr Sistema endomembranoso Il sistema endomembranoso comprende 3 » reticolo endoplasmatico + o liscio — rete di membrane interconnesse formano tubuli e sacculi appiattiti. Non presenta ribosomi sulla superficie. Sintetizza i lipidi tra cui gli steroidi e immagazzina ioni calcio (importante per la contrazione muscolare); o rugoso + reticolo endoplasmatico costellato di ribosomi. Le proteine interne al RER possono subire modifiche cambiando funzione e destinazione. Involucro, nucleare Reticolo endoplasmatico rugoso a Er tisclo >» apparato del Golgi — all'interno di questo organo avvengono 3 o processi di maturazione e secrezioni di proteine prodotte dal reticolo endoplasmatico; o sintesi di glicolipidi di membrana; o - . E diviso in tre parti. Ha un ruolo importante nella formazione di lisosomi, sintesi di glicoproteine GAG, lipoproteine e lipidi complessi. Memoria 9 Lisosomi | lisosomi sono originari dall'apparato di Golgi e hanno degli enzimi che consentono la demolizione di a >» molecole degli alimenti; » sostanze estranee assunte dalla cellula. A La digestione di sostanze nutritive B La demolizione di molecole di organuli membrana plasmatica enzimi digesi danneggiati | torome OÙ a «I «® digestione la , » (e vacuolo alimentare one 2 un mitocondrio danneggiato Malattie lisosomiali sono dovute al malfunzionamento dei lisosomi e le molecole che dovrebbero essere demolite si accumulano al loro interno; sono letali. Autofagia — distruzione programmata dalle cellule da parte dei lisosomi. autofagosoma (6 D doble envueltà “0: fagòforo 0- ATPasa autolisosoma ficosoma Mitocondri Gli eucarioti trasformano l'energia In ATP (respirazione cellulare) nei mitocondri (gli organismi che sfruttano l'energia solare lo fanno nei cloroplasti). Presentano una doppia membrana 3 > membrana interna — si ripiega formando creste; ha una superficie maggiore di quella interna, il che consente un maggiore controllo di ciò che entra ed esce; > membran: na — liscia e protettiva e consente il passaggio di molte sostanze da e verso il mitocondrio. All’interno presentano DNA e ribosomi e inoltre sono capaci di dividersi indipendentemente. Citoscheletro filaments microtubules Il citoscheletro è una struttura filamentosa costituita da 3 » microfilamenti di actina — singoli filamenti, fasci o retti; stabilizzano la cellula e la aiutano a muoversi » filamenti intermedi di cheratina — fasci robusti a forma di fune. Hanno due funzioni strutturali principali a o stabilizza la struttura cellulare; © resistono alla tensione; favoriscono l'adesione cellulare interagendo tra loro. Esistono 6 classi molecolari con la stessa struttura di base x 8-12nm Filamenti intermedi ‘Sono composti da proteine fibrose organizzate in strutture robuste, simili a corde, che stabilizzano e mantengono la forma della cellula. > microtubuli di tubulina — formano un rigido scheletro interno e agiscono come impalcatura lungo la quale le proteine matrici possono spostare delle strutture essenziali per la distribuzione dei cromosomi durante la divisione cellulare La superficie interna e quella esterna della membrana possono presentare diverse proprietà a causa della diversa composizione in fosfolipidi, proteine di membrana e periferiche; alcune proteine attraversano il doppio strato fosfolipidico (transmembrana). Inoltre carboidrati legati a proteine esterne (glicoproteine) o a lipidi esterni (glicolipidi) hanno funzione recettoriale (segnalazione e riconoscimento del segnale; comunicazione cellulare). Fosfolipidi | fosfolipidi separano le regioni acquose intracellulare da quella extracellulare e /a loro organizzazione facilita la fusione delle membrane cellulari formando per esempio vescicole (invaginazioni o evaginazioni) per eliminare sostanze (fagocitosi) o secernere sostanze all'esterno. Adesione cellulare Le membrane biologiche contengono proteine (1 proteina ogni 25 lipidi), le quali servono per determinare e guidare la segnalazione tra cellule. Le cellule comunicano tra loro scambiando segnali costituiti da molecole idrosolubili non affini alla membrana idrofobica, necessitando quindi di particolari strutture (glicoproteine transmembrana) che servono per veicolare la segnalazione. La distribuzione delle proteine può variare a seconda del tipo di cellule conferendo specifiche proprietà. Le proteine di membrana sono diversificate in 3 » periferiche — poste su uno dei lati della membrana ed interagiscono con parti polari di proteine di membrana o con le teste polari dei fosfolipidi; » integrali + penetrano totalmente (transmembrana) o in parte del doppio strato fosfolipidico. Presentano una parte idrofoba e teste idrofile (tratti con amminoacidi con gruppi R idrofilici). Le proteine (come i lipidi) di membrana svolgono una funzione importante 3 riconoscimento! ed adesione? cellulare — le cellule si legano tra loro per affinità di membrana. Le proteine dette tessuto-specifiche sono in grado di riconoscere le cellule che costituiscono lo stesso organismo facendole aderire e formando un tessuto resistente. L'adesione è importante per determinare 2 *. un tessuto; > le funzioni del tessuto. Nell'adesione entrano in gioco è > lipidi — glicolipidi; » proteine a o gli ine; o proteoglicani. L'adesione può essere 3 > omotipica — due cellule presentano la stessa molecola sulle rispettive superfici e queste molecole promuovono l'adesione; > eterotipica + è il tipo più diffuso e avviene quando una molecola di una cellula si lega ad un determinato recettore sulla membrana dell’altra cellula. Le molecole di riconoscimento legano tra loro cellule di specifiche categorie formando strutture specializzate dette giunzioni cellulari, le quali sono strutture proteiche sulle membrane cellulari che consentono contatti fisici ' Riconoscimento cellulare — cellula si lega specificatamente a un'altra cellula. ? Adesione cellulare — potenziamento dell'adesione tra due cellule. 10 diretti o interazioni intercellulari (Comunicazioni tra cellule adiacenti > adesione; comunicazioni a distanza > segnalazione). Le giunzioni cellulari più comuni sono a >» giunzioni strette — tendono a sigillare gli spazi intercellulari creando delle catenelle e rendere le membrane adiacenti, coordinate nei movimenti (es. villi intestinali) Fidi egli test ta una ola spille e ala » desmosomi — sono molto presenti sulla pelle e creano dei bottoni proteici tra le membrane di due cellule adiacenti creando un ponte di adesione (es. epidermide che si attacca al derma) — Wi "STRA AS 4 atrata » giunzioni comunicanti — formano dei piccolissimi pori (strutture dette connessoni) presenti sulle membrane plasmatiche di entrambe le cellule disponendosi a canale costituendo un poro che oltre a metterle in adesione permette il passaggio di sostanze n » # cAdl Membrane Ia fe Matrice extracellulare Esternamente alla membrana cellulare si trova la matrice extracellulare (non è presente nelle cellule vegetali dove c'è la parete cellulare costituita da cellulosa). La matrice extracellulare è una sostanza amorfa che crea un gel più o meno denso la cui struttura forma un reticolo proteico esternamente alla membrana plasmatica. La matrice extracellulare è secreta dalla cellula stessa e varia in base al tessuto; alcuni tessuti hanno più matrice extracellulare di altri. La matrice extracellulare è la struttura che dà sostegno e consistenza al tessuto preso in considerazione; inoltre circonda le cellule ed è costituita da 3 > proteine fibrose — collagene; » proteoglicani — variano a seconda del tessuto di appartenenza. Glicoproteine diversificate che interagiscono con le molecole collagene; > glicoproteine di collegamento — mettono in comunicazione complessi proteici di diversa origine (collagene-proteoglicani); » glicoproteine di adesione — mettono in comunicazione due cellule adiacenti. 11 4-27. Matrice extracelluia- Le Sbronecine, licoprcii ni sil le ine seal membrana pl Le funzioni della matrice extracellulare sono © > circondare la cellula — questo influenza la forma della cellula; > tenere uniti i tessuti; > contribuire alle proprietà fisiche — l'osso, per esempio, è duro grazie alla matrice extracellulare che conferisce all'osso tale caratteristica rendendolo un elemento di sostegno; filtra grossolanamente i materiali che passano attraverso i tessuti; orienta movimenti cellulari durante lo sviluppo e la riparazione dei tessuti; partecipa alla segnalazione tra cellule. VVIVY Ogni cellula di un tessuto secerne la matrice extracellulare, la quale è differente a seconda del tessuto; alcuni tessuti sono più ricchi di cellule e meno di matrice, mentre per altri è l'opposto. La lamina basale è una struttura appartenente alla matrice extracellulare che separa i tessuti mettendoli in comunicazione, inoltre determina anche la polarità delle cellule (distribuzione delle cariche). Collagene Il collagene è la proteina più abbondante nel corpo umano e costituisce il 25% del peso corporeo. L'assemblamento delle singole catene di collagene a formare la tripletta (procollagene) avviene nel reticolo endoplasmatico, mentre l'assembramento e la processazione (devono essere tagliate) delle triplette a formare le fibre collagene avviene fuori dalla cellula. Gecursin ER amen Grcursaftersecretion from cell Il. set ose e Collagen fori Collagen fiber ue $ i N Y \ Ù ch ) ° © (( asserle rale pepticine / i Ù (HI \ d Jbl Assembly - n Le proteine collageniche sono distinguibili perché costituito da 3 tipi di amminoacidi a » glicina; >» prolina; > lisina; l'associazione di un determinato numero di questi aminoacidi formano le proteine collagene. 12 >» trasporto attivo — molecole di grosse dimensioni non affini alla membrana, che trovano in questa una barriera non facilmente trapassabile, necessitano di recettori e soprattutto di energia perché il passaggio è contro gradiente di concentrazione. Per quanto riguarda il trasporto attivo esistono tre meccanismi a © uniporto + avviene il passaggio di una sostanza in una direzione; © simporto + avviene il passaggio di due sostanze in una direzione; © antiporto — avviene il passaggio di due sostanze in due direzioni opposte; sono trasporti contro gradiente e quindi necessitano di energia sotto forma di ATP. Un uniporto Un simporto ( Un antiporto trasferisce una trasferisce due trasferisce due certa sostanza sostanze diverse sostanze diverse, in una certa nella stessa una in direzione direzione. | direzione. | opposta all'atra. | Sostanze Il rasportate \ / Esterno | della cellula 1, ° o Interno o della cellula Il trasporto attivo si distingue in 3 © primario (uniporto) + il classico esempio è quello della pompa Na*/K*, il quale è un sistema di segnalazione fondamentale per la segnalazione delle cellule nervose. All'esterno della cellula e c'è un'alta concentrazione Na* è una bassa concentrazione di K* (all'interno è l'inverso); questo equilibrio è mantenuto dalla pompa Na'/K' 3 m Sulla membrana esterna della pompa Na*/K* sono presenti i siti di legame, quali sono attivati e determinano il cambiamento conformazionale delle proteine (si aprono o si chiudono) a e ATPattivala pompa — si legano ioni K* e passano gli ioni Na* verso l'esterno > successivamente avviene l'opposto mantenendo la condizione di equilibrio. i) Trasporto Attivo Primario (Pompa Na+/K+) ÉÉ Il cardiarento conformaz onale lascio di F riporta la pompa T della pompe provoca iriascio di Na? all’esterno della cel ula e provocando il rilascio di K* ate prose cain] angie bassa concentrazione di K' \ [ "i Gean Quindi, i ciclo si rivete. la sua forma origina! Esterno della cellula È: di n (fa ATP si legano ) Sn LI 9 È sin protena "armo": _) fi vidi dlr'ae causa la fosforilazione = Interno della cellula MR del poripa cina = = Alta concentrazione di k', | rcdihcalatorma. _) È bassa concentrazione di Nat " n ct Utilizzo diretto di idrolisi ATP o secondario — sia simporto e antiporto. 15 ii) Trasporto Attivo Secondario (sia simporto che antiporto) rrasporto atto primario Trasporto attivo secondaro Na" La pompa Na k' tasfeisce | | socstandosi secondo gradience di Na" utt iezando l'anercia <oncentaz one accumi e lla pompa dr el ATP per accumuore |. | fa- K° fomice a forza propusa per un gradiente i Sonce‘traore | | i asporto delgiucoso convuilsuo | diha gradiente di concentrazione. CCI o” 20 oa " 9 o PN N 9 RAPTNA PRATI MSBSOSO SISSI Trasportatore GLUCOSIO nelle cell: del tubo digerente pe gradiente Na+ dope azione pompa Na+/Kk+ Ù ADE LR pil * e . è è è. @ intemodell cells . Alta concentrazione ci K* bassa concent'azone di Na' Energia deriva da GRADIENTE [C] IONICA accumulato da un trasporto attivo | Meccanismi di Trasporto Meccanismo Energia Forza Proteine Specificità Esterna Operante Membrane Diffusione x Gradiente x x Semplice [c] Diffusione x Gradiente v v Facilitata [c] Trasporto v Idrolisi v v Attivo ATP Il trasporto di macromolecole necessita strutture dette recettori, mentre altre strutture si possono generare in seguito alla riorganizzazione della membrana plasmatica; queste strutture sono dette vescicole e si creano intorno a sostanze che devono trapassare la membrana 3 » endocitosi + introflessioni di membrana che racchiudono sostanze extracellulari 3 o fagocitosi; © pinocitosi; o endocitosi mediata da recettori — proteina recettoriale riconosce la macromolecola da portare dentro la cellula; > esocitosi — il materiale viene secreto in vescicole intracellulari il quale viene poi riversato nello spazio extracellulare successivamente alla fusione delle vescicole con la membrana plasmatica. La membrana tra le altre cose è sede di elaborazione di informazioni. Segnalazione cellulare Tutti i processi sono mediati da segnali che le cellule trasmettono e ricevono. Le cellule mediano segnali che entrano nella cellula, arrivano al bersaglio, il quale svolge le funzioni. Il segnale è ciò che la cellula recepisce ed il prodotto finale è la risposta. Tutte le cellule ricevono e rispondono a segnali che provengono dall'ambiente circostante. 16 + Cellule semplici come i batteri + capaci di percepire e dirigersi verso concentrazioni crescenti di sostanze nutritive (aminoacidi e glucosio); + cellule eucariotiche unicellulari > rispondono a molecole segnale secrete da altre cellule, innescando una comunicazione tra le cellule; + cellule di organismi pluricellulari + la comunicazione tra cellule è più raffinata e complessa. Un segnale determina una catena di risposte (lo studio della catena di segnalazione dei medicinali può richiedere anche 15 anni). Come avviene la segnalazione? 1) Una molecola (segnale) se è è a) idrosolubile — necessita di un recettore; b) idrofoba — passa la membrana; 2) le proteine recettoriali hanno un segmento extracellulare (che lega la molecola segnale); sono ancorate alla membrana e la trapassano e presentano anche una parte intracellulare che comunica con la cellula. La parte intracellulare ha il compito di segnalare a cascata, amplificando la via di segnalazione ad altre proteine, fino ad arrivare alle proteine bersaglio che svolgono la funzione. La via a cascata del segnale viene detta trasduzione del segnale, ossia sequenza di eventi molecolari e reazioni biochimiche che portano la cellula a rispondere al segnale; per ogni molecola ci possono essere diverse vie di trasduzione possibili; 3) le cellule elaborano i segnali, i quali possono essere a a) fisici — es. luce; b) sostanze chimiche; c) sostanze provenienti dall'esterno dell'organismo + es. batteri, virus; d) sostanze provenienti dall'interno dell'organismo + la cellula riesce ad emettere dei segnali, i quali allo stesso tempo, li può recepire. Per riconoscere e rispondere a un determinato segnale, la cellula deve avere un recettore specifico che lo possa rilevare. | segnali ricevuti dalla cellula possono essere fisici o chimici, solitamente sono prodotti dalle stesse cellule dell'organismo e distribuiti poi nei vari distretti corporei tramite a > circolazione — diffusione a distanza. Gli ormoni sono le molecole segnale più espressi dall'organismo; sono rilasciate dai vari organi ghiandolari dell'organismo; sono regolate dal SNC. Gli ormoni entrano in circolo e arrivano alla cellula bersaglio dove deve trasmettere il segnale, » diffusione locale; » diffusione intermedia — si tratta di segnalazioni chimiche che funzionano anche a bassissimi dosaggi (10° M) e si distinguono segnali 3 © autocrini + una cellula manda un messaggio ed allo stesso tempo possiede i recettori per recepire il messaggio. La segnalazione interna viene quando il recettore deve tradurre il segnale e lo internalizza e attivando altre molecole; questo processo può essere 3 m veloce(ms)—siattiva una determinata proteina e questa determina un particolare funzione; m /ento (gg) — segnale elaborato dal nucleo che attiva la trascrizione del DNA per avviare la produzione di proteine (passaggio più lungo); © giustacrini + una cellula manda un messaggio e viene recepito dalla cellula adiacente; o paracrini + una cellula manda un messaggio e viene recepito da cellule vicine; o ormoni + i segnali viaggiano attraverso il sistema circolatorio. La segnalazione può essere a » endocrina + la cellula endocrina e libera l'ormone che tramite i vasi sanguigni arriva alla cellula bersaglio; > paracrina + avviene quando un segnale viene emesso dalla cellula e recepito da cellule adiacenti; 17 Il recettore è considerato a 7 passi, ossia trapassa sette volte la membrana plasmatica e si ancora a questa; serve a legare l'ormone (ma se l'ormone si lega solo al recettore non avviene nulla) e, nel momento in cui viene attivata la proteina G e quindi si trova vicino al recettore nella parte intracellulare permette di analizzare il messaggio recepito dal recettore. La proteina G ha tre subunità + © a+ presenta GTP (anziché ATP) che viene idrolizzato per liberare un gruppo fosforico; o Bi o y. All'arrivo del ligando, questo si lega al recettore causando un cambiamento conformazionale della proteina G, la quale si lega al recettore e il GDP diventa GTP, si attiva la proteina e si dissocia a © subunità a — agisce con l'enzima di superficie; © subunità B-y —> rimane in membrana. Dal momento in cui la molecola segnale si stacca, il sistema ritorna con la proteina unita e separata dal recettore. Anche in questo caso viene una cascata di segnalazioni che poi generano una risposta. E’ necessario un altro enzima che attiva la trasduzione del segnale che porta ad un insieme di attivazioni di vario tipo 3 ES. una molecola che si lega al recettore a 7 passi attiva la proteina G, la quale con il complesso £-y può attivare contemporaneamente un recettore canale presente sulla cellula nervosa; quindi una singola molecola può attivare due recettori differenti. Alcune molecole segnale si legano a recettori di più classi è o neurotrasmettitori + acetilcolina 3 m sulle cellule muscolari determinano la contrazione — tramite recettore accoppiato ad un canale ionico; m sulle cellule cardiache determinano una riduzione della contrazione — tramite recettore accoppiato alla proteina G; m Sulle ghiandole salivari determinano la secrezione della saliva — tramite recettore accoppiato alla proteina G. | een E Parte della protena G attivata ie la proteina G attira, a su volta una proteina ce dl SDP. effettere che induce camoiamenti nel funzioramento della cellule o rta Esterno della ce lula Il GTP sosti Sagnale formione] Ds f f affettore attivata Read AR 90800 9900009900 3039993333339 / )i A I I SOA ZIO 3IBSI54S 33 Bb “D 3 " g di 1A 0) x 367e; \db _ GDP fecator / 7 î accoppiato / EDIL GTP sula proteine è | a una Proteina Proteira Proteina proteina G-— Ginattiva | effettore inattiva Gattivata Risposte cel lari Interna della ce lula > Recettori accoppiati gli enzimi + le restanti molecole di piccole dimensioni ed idrosolubili legano i recettori accoppiati agli enzimi. | recettori enzimatici sono detti protein chinasi come per esempio quello per l'insulina (fattore di crescita) Questi recettori tra passano la membrana, nella loro forma inattiva sono dei monomeri, ma quando arriva l'insulina si combina con entrambi i recettori e li dimerizza (unisce 2 monomeri). Questo sistema recettoriale quindi è attivato da due molecole di insulina che determina l'unione di due strutture proteiche che funzionano soltanto quando si crea il dimero, perché sulla parte intracellulare ci sono degli amminoacidi ricchi di gruppi fosforici che si devono fosforilare (si auto-fosforilano) determinando una cascata di eventi intracellulari (trasduzione del segnale). Recettori intracellulari Esistono molecole capaci di passare attraverso la membrana (sostanze affini alla membrana come per esempio gli steroidi e gli ormoni steroidei), però non possono andare al sito da sole perché non sono capaci di 20 raggiungere ed interagire autonomamente con il DNA, perciò necessitano di un recettore intracellulare che prenda queste molecole e le trasporti nel DNA attivando la trascrizione. Questi recettori mediano le risposte lente. Trasduzione del segnale in risposta Il segnale può dare inizio a una catena di eventi, attivando proteine che interagiscono con altre proteine attraverso una cascata di segnalazione in cui il segnale viene amplificato e distribuito inducendo molte risposte nella cellula bersaglio. Ci può essere anche una cooperazione tra recettori differenti (vedi recettori legati a proteina G) come avviene nelle vie di segnalazione tumorali a presenza di un fattore di crescita che si lega ad un recettore enzimatico (con i gruppi fosforico che si auto-fosforilano), che a sua volta si lega ad una proteina G detta proteina RAS. La proteina RAS quindi, viene attivata dai fattori di crescita proseguendo la via di attivazione a 1) fattore di crescita si lega il recettore enzimatico; 2) il recettore enzimatico attiva la proteina RAS; 3) la proteina RAS, sempre per processo di fosforilazione, attiva molte vie di segnalazione. La proteina RAS viene attivata durante il ciclo cellulare e, in condizioni normali, sono anche presenti dei sistemi di inibizione, quindi questi sistemi insieme alla proteina RAS mantengono bilanciato il processo di crescita. Dal momento in cui si è di fronte ad una mutazione (anche solo di un pezzetto di DNA), si verifica una iperattivazione di RAS continuando a produrre e facendo entrare la cellula nel ciclo cellulare. La proteina Ras è una delle più mutate nelle varie forme tumorali, la quale deriva da un oncogene funzionalmente presente nell'organismo che, a causa di stimoli esterni, può subire delle trasformazioni diventando uno oncogene nocivo causando malattie (la forma anomala di questa proteina è sempre attiva e legata al GTP inducendo una continua divisione cellulare). Durante il processo di trasduzione del segnale possono essere rilasciate delle molecole di piccole dimensioni dette secondi messaggeri (il primo messaggero è il ligando al recettore); sono interni alla cellula e amplificano ulteriormente le vie di segnalazione. Questi secondi messaggeri sono a >» AMP ciclico > ATP che una volta demolito diventa AMP ciclico; > IP; (inositolo trifosfato) — le vie di trasduzione tramite questi secondi messaggeri sono iperattive in alcune aree cerebrali di pazienti bipolari; > DAG (diacilglicerolo) + le vie di trasduzione tramite questi secondi messaggeri sono iperattive in alcune aree cerebrali dei pazienti bipolari; > [(Ca® + è il più espresso nell'organismo. La via di trasduzione attivata tramite questi secondi messaggeri innesca la divisione cellulare nelle cellule uovo fecondato; > NO (ossido nitrico) — la via di trasduzione secondo questi secondi messaggeri innesca e il rilassamento della muscolatura liscia >vasodilatazione. Un'altra importante via di segnalazione è quella dei gas, i quali non necessitano di recettori ma trapassano la membrana. Questa via di segnalazione è mediata da recettori legati alla proteina G; il neurotrasmettitore determina la demolizione dell'arginina (produzione di NO) ed il NO fuoriesce dalla cellula per diffusione. L'obiettivo del NO sono le cellule endoteliali creando vasodilatazione. Il NO si può accumulare nelle cellule e deriva dalla demolizione dell'arginina (amminoacido), questo, come tutti i gas, può restare nella cellula ma a bassi dosaggi, quindi è presente una via di segnalazione per l'ossido nitrico (NO) che serve per mantenere i livelli corretti di questo gas. Questi sono prodotti dalle vie di trasduzione per indurre un ulteriore amplificazione del segnale = es. Una molecola segnale, adrenalina, attiva un recettore y 21 il recettore, per esempio, attiva una proteina G Yy viene prodotto AMP ciclico (20 molecole di AMP ciclico) Vv attivazione di 10.000 molecole di glucosio ematico (processo di demolizione glicogeno). ffetti funzionalità La risposta cellulare ai segnali consiste a > nell'apertura dei canali ionici; » modificazioni delle attività enzimatiche — inibizione / attivazione e amplificazione del segnale; » cambiamenti conformazionali. Comunicazione tra membrana adiacenti Sono comunicazione mediatica giunzioni cellulari (piccoli pori nella membrana). Metabolismo cellulare Durante la vita quotidiana si consuma energia per attivare tutte le vie metaboliche dell'organismo. Energia ina > fisica — è la capacità di compiere un lavoro; >» chimica — è la capacità di produrre un cambiamento (reazione biochimica). L'energia non può essere creata né distrutta. L'energia è una moneta di scambio che la cellula deve utilizzare per compiere un determinato processo fisiologico. La maggior parte delle trasformazioni biochimiche si verificano nella cellula a » trasformazione di legami; » cambiamenti conformazionali delle molecole che costituiscono l'organismo. Lipidi, proteine e carboidrati vanno incontro a processi di demolizione e di ricostruzione, i quali necessitano di energia per avvenire; l'insieme di questi processi costituisce il metabolismo. In tutte le cellule si verificano due tipi di reazioni metaboliche = » reazioni cataboliche — demolizione di molecole complesse in molecole più semplici (es. da proteina ad amminoacidi) > reazioni ESOergoniche, ossia liberano energia; » reazioni anaboliche — portano alla formazione di molecole complesse partendo da molecole di piccole dimensioni (es. da amminoacidi a proteine) reazioni ENDOergoniche, ossia richiedono energia (l'energia richiesta varia a seconda della molecola da costruire). ATP (adenosintrifosfato) L’ATP è la molecola di scambio dell'energia; è un nucleotide* costituito da 3 » adenina (base azotata purinica); >» ribosio (zucchero); > tre gruppi fosfato; rappresenta la valuta fondamentale per trasferire energia nelle diverse reazioni chimiche; la sintesi fa acquisire energia all'ATP, mentre l'idrolisi libera energia. 3 i nucleotidi sono presenti Inoltre nei vari acidi nucleici e, oltre alla ATP, possono esserci 3 » GTP (ganousina trifosfato) — presente nella trasmissione del segnale regolato dalla proteina G » AMP ciclico — regolazione della trasduzione del segnale a livello del sistema nervoso; questi nucleotidi svolgono un importantissimo azione metabolica liberando i gruppi fosforici determinando produzione di energia ed innescando particolari vie metaboliche. 22 » 2 molecole di NADH — come FADH, sono enzimi che oltre a catalizzare la reazione, sono capaci di captare gli elettroni (importanti per produrre energia). Il trasporto di energia, oltre che tramite ATP può avvenire anche attraverso il trasferimento di elettroni durante una reazione di ossidoriduzione 3 o specie chimica che perde elettroni > viene ossidata e perde energia; © specie chimica che acquista elettroni > viene ridotta e acquista energia. Questo coenzima esiste nella forma = o ossidata (-&) —> NAD'; o ridotta (+e) > NADH= NAD* + H* + 2e° > NADH (importante intermedio energetico nelle cellule) *inserire immagine da slide* Respirazione cellulare (avviene nel mitocondrio) La respirazione cellulare è un processo composto da una serie di reazioni che avvengono in presenza di O, e si passa dal citoplasma al mitocondrio (organello energetico per eccellenza), il quale viene considerato la centrale energetica della cellula. Ogni molecola di piruvato (ottenute precedentemente dalla glicolisi) viene convertita in 3CO, con la produzione di H,0 ed energia in essa contenuta, la quale viene estratta in seguito a tre processi che avvengono nel mitocondrio è 1) ossidazione del piruvato + avviene nella matrice esterna del mitocondrio. Collega la glicolisi (anaerobica) alla via aerobica (presenza di 0); porta alla demolizione delle due molecole di piruvato (C3Hy0) in una molecola più semplice ossia, l'acetil-CoA (a 2 atomi di C). La produzione di aceti/-CoA è data da una reazione esoergonica che produce NAD), il quale si riduce a NADH. a) due molecole di piruvato (C3H,0;) derivate da glicolisi entrano nel mitocondrio; b) demolizione del piruvato (C3H40;) in acetil-CoA; c) liberazione di una molecola di NAD che si riduce a NADH; durante questo processo avviene la liberazione di una molecola di CO,. 2) ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs) — avviene nella matrice esterna del mitocondrio. Comprende 8 reazioni in cui si ossida completamente l'acetil-CoA trasformandolo in CO;; l'energia liberata da queste reazioni viene catturata da a a) GDP— diventa GTP e l'energia contenuta nel Pi di questo viene usata per la produzione di 2 molecole di ATP; b) NAD* — diventa NADH = lega elettroni; c) FAD — diventa FADH, > lega elettroni; Il processo è ciclico perché il prodotto dell'ultima reazione, l’ossalacetato (4 atomi di C), si rigenera accettando un altro gruppo acetato dell'aceti/-CoA (formando acido citrico a 6 atomi di carbonio) Questo ciclo si ripete due volte per ogni molecola di glucosio (una per ogni molecola di aceti/-CoA); Riassumendo 3 > 1 molecola di glucosio produce a o 6 molecole di CO; + 2 dell'ossidoriduzione del piruvato e 4 dal ciclo di Krebs (2 per ogni ciclo); o 10 molecole di NADH + 2 dalla glicolisi, 2 dall'ossidazione del piruvato e 6 dal ciclo di Krebs (3 per ogni ciclo); o 2 molecole di FADH, — dal ciclo di Krebs; o 4molecole di ATP — 2 dalla glicolisi e 2 dal GTP del ciclo di Krebs 3) sistema del trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa — avviene nella membrana interna del mitocondrio. Comporta la completa 3 a) demolizione del glucosio; b) processazione dell'energia accumulata dai coenzimi prodotti durante la reazione del ciclo di Krebs; 25 c) ossidazione del piruvato. Gli enzimi prodotti durante la glicolisi ed il ciclo di Krebs trasportano elettroni (e’), i quali sono ulteriore fonte di energia. Sulle creste della membrana del mitocondrio ci sono quattro grandi complessi proteici da cui passano NADH e FADH,,, i quali trasportano gli elettroni che vengono accumulati tra le membrane mitocondriali (NADH e FADH, vengono ossidati nella catena respiratoria rigenerando NAD* e FAD) creando uno sproporzionato aumento di elettroni (e°) tra le due membrane? che è fonte di energia; inoltre la catena respiratoria, oltre a elettroni (e), trasporta anche protoni creando una forza motrice protonica, la quale deve essere incanalata per determinare la formazione di ATP. Sulla membrana del mitocondrio è presente una struttura (ATPasi sintasi), che è un enzima che viene attivato quando la forza protonica è fortemente aumentata e tutti gli elettroni (e) si incanalano in questa proteina; li porta nella parte interna della cresta mitocondriale e gli elettroni si trasformano in ATP (28 molecole di ATP). elettrone _ dale @. energia “> | | rembrara elattrone abassa (©) energia FASE: LENEI DAL TRASPORTO DI n E PROTONICO VIENE UTILIZZATA PER POMPARE 4 TO DALLA ATP SINTASI I PROTONI ATTRAVERSO | A MFMARANA 4 ® Generando 32 molecole di ATP da una molecola di glucosio. Le 32 molecole di ATP sono formate dalla cattura della grande quantità di energia racchiusa nei legami covalenti del piruvato (C3H,0;). N.B. Ogni giorno una persona idrolizza ca. 10° molecole di ATP ad ADP = 9Kg!! L’ADP prodotto viene “riciclato”; riconvertito in ATP usando l’energia libera proveniente dall’ossidazione del glucosio!! Fermentazione (avviene nel citoplasma) La fermentazione è un processo che non richiede O; (anaerobico) e prevede la trasformazione del piruvato in acido lattico o in alcol etilico. Durante questo processo, viene liberata molta meno energia rispetto alla respirazione cellulare (2 molecole di ATP). La fermentazione è un processo che avviene solitamente nei batteri, ma può anche avvenire negli eucarioti per produrre una limitata quantità di ATP in condizioni anaerobiche (assenza di 07). Riguarda l'ulteriore elaborazione dei NAD* che non sono stati processati durante la respirazione cellulare. Esistono due tipi di fermentazione 3 € l'accumulo di elettroni (e’) non può rimanere a lungo perché si possono creare accumuli di perossidi dannosi per le cellule, quindi vengono canalizzati per dare origine ad energia. Il trasferimento incompleto di elettroni (e) causa la formazione di superossidi e radicali liberi molto dannosi per la cellula. 26 >» fermentazione lattica > ha come prodotto finale l'acido lattico. Durante uno sforzo eccessivo, il sistema circolatorio non riesce ad apportare la sufficiente quantità di O; in tempi brevi, per cui le cellule muscolari sfruttano il glicogeno” (deposito di glucosio) e intraprendono la fermentazione lattica per sopperire alle elevate richiesta di energia. Se la condizione di sforzo prolungata, l'acido lattico crea problemi come crampi e dolore. Quando O, è nuovamente disponibile, viene catalizzata l'ossidazione del lattato (da parte di lattato deidrogenasi) a piruvato per essere poi catabolizzato a CO, formando ATP Cellula muscolare Glicogeno Glucosio Pirito cor LA Se a di la — Seta a a iS È, / Cheat. Ù I VA V4 Durante uno scatto di velocità, poiché l'apporto di ©, è limitato, una parte del catabolismo del glucosio avviene in condizioni anaerobiche, producendo lattato. Quando 0, è di nuovo disponibile, la reazione si inverte. » fermentazione alcolica + ha come prodotto finale l'alcol etilico. Avviene principalmente nei procarioti e nei lieviti. Il piruvato viene demolito in alcol etilico. Le reazioni della fermentazione alcolica sono reversibili e oltre a liberare NAD', liberano solo 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio. Gli organismi anaerobi sono piccoli, hanno una crescita lenta e necessitano di un apporto energetico molto basso. La fermentazione alcolica delle cellule del lievito produce le bevande alcoliche. Sole na Noi partiamo Fotosintesi d : a qui GUICOLISI Piruvato (molecola e tre atomi di carbonio) In aerobicsi (O, presente] RESPIRAZIONE CELLULARE * Ossdazione completa - Prodotti di scarto: H70, CO * Erergie netta cattura;gae molecola di po) In anaerobiosi (0; assente) FERMENTAZIONE * Ossidazione incompleta * Prodotti di scarto: acido lattico 0 etanolo e CO, * Erergia netta catti molecole di giuco: (2151) Se tutto il glucosio viene consumato si iniziano a demolire molecole più complesse (carboidrati e lipidi). di avevi CoA (2 carboril TRASPORTO DI ELETTRONI» Pd "x Do) nio ? Glicogeno => carboidrato complesso che deve essere demolito. 27 Le uniche cellule di organismi più complessi in cui riproduzione e ciclo cellulare combaciano sono i gameti (cellule germinali). La riproduzione cellulare, come il ciclo cellulare, comprende 4 fasi a 1) segnale riproduttivo — i segnali per la divisione di cellule eucariotiche sono correlati con il fabbisogno dell'intero organismo e non con l'ambiente esterno di una singola cellula; 2) duplicazione del DNA; 3) segregazione del DNA — i cromosomi duplicati sono costituiti da 2 elementi strettamente associati tra loro detti cromatidi fratelli; proteine dette cosine fanno sì che questi si dispongano parallelamente. Tramite la mitosi si segrega ciascun cromatidio all'interno dei due nuovi nuclei; 4) ci i. Ciclo cellulare Gli eventi del ciclo cellulare possono essere racchiusi in 2 fasi a > interfase — si tratta di un periodo prolungato che si interpone tra due divisioni cellulari (mitosi). Questa fase si suddivide ulteriormente in a o G;(Gap 1)— periodo tra la fine della mitosi è l'inizio della fase S (sintesi). Durante la fase G;, la cellula si prepara alla fase S. Questa fase ha una durata variabile a seconda del tipo di cellula; addirittura alcune cellule entrano in una fase di riposo detta G, e sono necessari dei segnali particolari (esogeni o endogeni) per far riprendere il ciclo alla cellula. Nel periodo di transizione tra G, e S viene programmata una divisione cellulare; o $(sintesi) — periodo in cui /a cellula duplica il proprio DNA. Durante la fase S si completa la duplicazione del DNA. Ogni cromosoma condensato è composto da due cromatidi fratelli, i quali sono uniti in attesa di venire segregati nelle due cellule figlie durante la mitosi.; o G.(Gap 2) — periodo tra la fine della fase S inizio della mitosi. Durante la fase G, si completano i preparativi per la mitosi. Es. sintesi dei microtubuli che muovono poi i cromosomi verso i poli opposti della cellula pronta a dividersi; > faseM— Sitratta di un periodo ristretto in cui avvengono mitosi e citodieresi. Consente di avere 2 cellule figlie uguali alla cellula madre. Controllo del ciclo cellulare La proteina chinasi ciclina-dipendente (Cdk) regola le fasi di transizione del ciclo cellulare (G, > S ; G.> M). La proteina Cdk e attiva quando si lega con la ciclina, per cui a » chinasi — enzima che catalizza la reazione di fosforilazione®; » ciclina — proteina che attiva l'enzima. Queste due proteine quando si associano cambiano conformazione; l'associazione e la dissociazione richiedono ATP. Le Cdk svolgono un importante ruolo nelle fasi iniziali del ciclo cellulare, ma come tali non sono attive, quindi sono attivate dalla ciclina. Le Cdk rimangono costanti durante tutto il ciclo cellulare, mentre le cicline ciclano (come dice il nome) durante la progressione del ciclo cellulare; quindi una ciclina che agisce nella fase G, si complementa con Cdk, successivamente si stacca e viene sequestrata ed eliminata da proteine spazzino perché non più necessarie ed intaserebbero la cellula. ® Fosforilazione > trasferimento di un gruppo fosfato dall'atp ad un'altra molecola. 30 Cdk e cicline sono nelle forme inattive > subentra uno stimolo esterno = si attivano e si associano tra loro (ancora non completamente attive) > fosforilazione di ATP = si attiva il complesso ciclina-Cdk > svolge la funzione a seconda dello stadio in cui si trova (G, > S; S=> G.; quindi G,=> M). Una delle proteine che giocano importante ruolo nella prima fase di transizione (G, > $S) è la proteina del retinoblastoma (RB'°)"' che agisce inibendo il ciclo cellulare prima dell’entrata nella fase S e viene detto punto di restrizione (R). Da ciò si evince che per entrare nella fase S, la cellula deve rimuovere il blocco RB; per farlo catalizza la fosforilazione in molti punti di RB cambiando la sua conformazione e provocandone così l'inattivazione. | punti di controllo (checkpoint) del ciclo cellulare sono 3 >» 3 durante l'interfase a o fase G, —> complessi ciclina-Cdk agiscono come checkpoint. Un danno al DNA attiva il checkpoint arrestando il ciclo cellulare consentendo alla cellula di riparare il danno; o fase S— complessi ciclina-Cdk agiscono come checkpoint. Una replicazione incompleta o un danno al DNA attivano il checkpoint arrestando il ciclo cellulare consentendo alla cellula di riparare il danno; o fase G,— complessi ciclina-Cdk agiscono come checkpoint. Un danno al DNA o agli organelli attivano il checkpoint arrestando il ciclo cellulare consentendo alla cellula di riparare il danno; > 1 durante la mitosi 3 o fase M— complessi ciclina-Cdk agiscono come checkpoint. Un danno ai cromosomi attiva il checkpoint arrestando il ciclo cellulare consentendo alla cellula di riparare il danno; Alcune cellule sono cancerogene (divisioni cellulari non appropriate) perché non rispondono al controllo del ciclo cellulare per via di un'interruzione o un'alterazione del controllo esercitato dal complesso ciclina-Cdk. { La Ckè ereserte, ma senza } cina è irottiva. La sintesi DD / / di cilina a Mitosi cda se > Mm la Gî = ONAIINA DNA 2 pe da con aa Gi $ ici < rg Sintesi di DNA iS) ‘Ta Adina sliega ala A | che diverte atthe. \ Ki La ciclina si degrada ata l/ attiva. ( Fattori di crescita Esistono fattori esterni che modificano il ciclo cellulare detti fattori di crescita, i quali funzionano anche a basse dosi e attivano i recettori enzimatici. | fattori di crescita sono specifici per ogni tipo cellulare sono segnali esterni che inducono la cellula a crescere e proliferare. Generalmente i fattori di crescita prendono il nome della cellula che li produce ad esempio 3 » PDGF— prodotto delle piastrine seguito di una ferita stimolando la crescita di cellule adiacenti; 1° Costituisce il primo punto di controllo del ciclo cellulare "" Il complesso ciclina-Cdk catalizza la fosforilazione del retinoblastoma 31 >» eritropoietina — sintetizzata dai reni e stimola la proliferazione delle cellule del midollo osseo e la produzione di eritrociti; >» interleuchine — sintetizzate da un tipo di globuli bianchi e stimolano la divisione cellulare a livello di altre cellule fondamentali per il sistema immunitario; » alcuni ormoni. | fattori di crescita si legano a determinati recettori presenti sulle cellule bersaglio determinando la trasduzione del segnale, il quale viene recepito dalle cicline (proteine target) e vengono sintetizzate; queste poi trovano Cdk (costituzionalmente presente nel citoplasma) e la sua attivazione fa progredire ciclo cellulare. Morte cellulare Man mano che le cellule vanno incontro al ciclo cellulare, ci sono anche cellule che vanno incontro a morte cellulare. La morte cellulare può venire secondo 3 » necrosi — fenomeno patologico. Morte cellulare subita dalla cellula in seguito a cambiamenti o cause esterne come danni dovuti a sostanze chimiche o traumi meccanici. Questo tipo di morte cellulare non provoca solo la morte della cellula interessata, ma anche quella di molte cellule adiacenti a causa della liberazione del proprio contenuto in ambiente extracellulare innescando un processo di infiammazione. La cellula che entra in necrosi si gonfia fino a scoppiare ed emette nell'ambiente circostante il proprio materiale genetico causando infiammazione; >» apoptosi — fenomeno fisiologico. Morte cellulare decisa dalla cellula stessa perché non serve più e non influisce sulle cellule circostanti. La cellula morta per apoptosi subisce una digestione da parte dei leucociti circostanti. La cellula che entra in apoptosi 3 1) non prende più contatto con le cellule adiacenti; si rimpicciolisce; 2) il materiale genetico si frammenta; 3) si formano vescicole sulla membrana; 4) a questo punto i resti cellulari sono ingeriti da cellule adiacenti per fagocitosi. Questo processo non causa infiammazione. La cellula va incontro ad apoptosi perché a o hi rito | filità > per esempio le cellule del sistema immunitario una volta che l'agente patogeno è stato eliminato; o evitare fenomeni tumorali — più lungo vivono le cellule, maggiore è la probabilità che queste subiscano danni genetici provocando fenomeni tumorali. L'apoptosi è quindi un fenomeno naturale che antagonizza i tumori, anche se questo purtroppo non funziona sempre correttamente. Eventi apoptotici sono controllati da diversi segnali che possono essere endogeni o esogeni come per esempio 2 > ormoni; > fattori di crescita; > infezioni virali; > tossine; > danni estesi al DNA; questi inducono un segnale, il quale viene captato da recettori attivando la via di trasduzione del segnale che avvia il processo apoptotico. La via di trasduzione del segnale apoptotico può agire sua » mitocondri + apoptosi intrinseca. | mitocondri permettono la fuoriuscita di determinate proteine che attivano le caspasi (enzimi fondamentali per attivare l'apoptosi e regolare la degradazione); » autofagia — fenomeno fisiologico. Morte cellulare decisa dalla cellula quando non c'è nutrimento per rendere vitali tutte le cellule. 32 >» citodieresi — La citodieresi è un processo di separazione che ha inizio quando i cromosomi figli si avvicinano ai poli opposti del fuso mitotico; la contrazione del citoplasma lungo la piastra metafasica genera un solco di segmentazione'?. Consiste nella fine della divisione cellulare e nell'inizio di una nuova interfase / Anello contrattile MEIOSI La meiosi è simile alla mitosi, ma presenta delle differenze 3 > i prodotti finali sono diversi dal genitore; » due divisioni successive — si parte da una cellula diploide'*, arrivando ad una aploide a o il nucleo si divide due volte; o il DNAsi divide una volta. La meiosi garantisce variabilità genetica, il quale è un aspetto fondamentale per l'evoluzione; inoltre garantisce che ciascun gamete aploide sia provvisto di un corredo cromosomico completo. Durante il processo di meiosi, da una cellula si ottengono quattro cellule grazie a due divisioni successive a > meiosiI; > meiosi II; La cellula iniziale è diploide e possiede coppie di cromosomi omologhi (?). Le quattro cellule le finali sono aploidi; hanno ereditato un solo cromosoma di ciascuna coppia di cromosomi omologhi. Durante l'interfase, nella fase S, avviene la duplicazione dei centrioli, ottenendo così due coppie di centrioli che in seguito si andranno a dividere tra due cellule figlie. Le coppie di centrioli e le matrici proteiche che le circondano sono detti centrosomi e sono il centro di organizzazione del fuso mitotico. Durante la sottofase S dell’interfase si svolge la duplicazione del materiale genetico all’interno del nucleo che ha come risultato la produzione di due copie identiche di DNA (anche le proteine associate al DNA dette istoni sono duplicate). Esiste un meccanismo di controllo che corregge eventuali errori di duplicazione (tasso di errore > 1 base sbagliata ogni miliardo di basi duplicate). Il DNA di una cellula diploide è per metà materno e per metà paterno; con origine differente, ma contenente le stesse informazioni (omologhe). Meiosi I La meiosi I è formata da 4 stadi (gli stessi nomi degli stati della mitosi) è > profaseI—icentrosomi iniziano ad allontanarsi organizzando il fuso meiotico, il quale è costituito da microtubuli; contemporaneamente, il DNA presente ne/ nucleo si condensa formando i cromosomi a ogni cromosoma, in seguito la duplicazione della sottofase S, contiene 2 molecole di DNA identiche (una per cromatidio). Cromosoma > due cromatidi fratelli = due molecole di DNA. 1? Solco di segmentazione = solco di filamenti di actina e miosina intorno alla cellula a creare una strozzatura. 1° cellula germinale fem. (23 cromosomi) + cellula germinale mas. (23 cromosomi) = cellula diploide (46 cromosomi) 35 Tra i due cromatidi fratelli esiste una zona costituita da proteine detta centromero. Come durante la mitosi, i cromatidi fratelli si uniscono anche per tutta la loro lunghezza grazie a specifiche proteine (coesine). Con l'avanzamento della profase I, ogni cromosoma si appaia con il suo cromosoma omologo (contiene le stesse informazioni, ma ereditato da un genitore diverso); questo appaiamento viene detto sinapsi e porta alla formazione di un struttura detta tetrade (richiama il numero 4 = in riferimento ai 4 cromatidi coinvolti). AI livello della tetrade si verifica il fenomeno chiamato crossing-over, il quale consiste nello scambio di materiale genetico all'interno di ciascuna coppia di cromosomi omologhi (porzioni del cromatidio di origine materna sono scambiate con porzioni del cromatidio di origine paterna producendo VARIABILITA’ GENETICA nella prole); questo avviene tra porzioni che contengono le stesse informazioni permettendo di mantenere le funzionalità nella cellula che le riceveranno. Successivamente al fenomeno del crossing-over, il complesso proteico che tiene uniti due cromosomi omologhi si disassembla separandosi parzialmente; rimangono uniti in corrispondenza di punti in cui avviene lo scambio di ferramente di cromatidi detto i chiasmi; questi consentono la corretta distribuzione di cromosomi omologhi durante la prima divisione cellulare (Cd) prometafase I —» in seguito alla disgregazione del nucleo non c'è più nessuna barriera che separa i cromosomi dal citoplasma e si entra quindi nello stadio di prometafase I. Le fibre del fuso meiotico, come avviene nella mitosi, si dipartono dei due poli raggiungendo e “catturando” i cromosomi. L'attacco delle fibre del fuso avviene in prossimità del centromero, a livello di complessi proteici chiamati cinetocori. In questa fase, i cromosomi di una coppia di omologhi si separano; i cinetocori di ciascun cromosoma funzionano come un'unità, cioè a questi si legano i microtubuli che provengono dallo stesso polo del fuso, quindi due cromatidi che compongono i cromosomi rimangono uniti. le fibre del fuso, grazie a particolari movimenti, portano le coppie di omologhi nella zona equatoriale della cellula (trovandosi alla stessa distanza dai due poli) che coincide con i centrosomi anafase I — i cromosomi omologhi di ciascuna coppia si separano trascinati dai microtubuli; l'intero cromosoma composto dei cromatidi fratelli si sposta verso il polo del fuso. La cellula Inizia a diventare più ovoidale. Quando i cromosomi raggiungono i centrosomi termina l’anafase I telofase I — il fuso meiotico si disassembla e si ha una riorganizzazione degli organuli cellulari; si riforma l'involucro nucleare è il DNA torna ad una forma meno compatta con la ricomparsa del nucleolo 36 > citodieresi I — citoplasma e organuli sono di tra due cellule figlie. Si forma un solco sempre più profondo grazie all'azione di un anello concentrico (formato da actina e miosina) collegato alla membrana plasmatica (presente solo durante la divisione cellulare), la quale viene trascinata provocando la strozzatura che genera la separazione tra due cellule A O @, A questo punto termina la prima divisione meiotica e le due cellule sono pronte per la meiosi II. Meiosi II Ogni cellula ha ricevuto una completa informazione genetica, seppur con un corredo cromosomico dimezzato; cioè sono diventate aploidi e sono inoltre diverse l'una dall'altra garantendo la variabilità genetica grazie a 3 » presenza di cromosomi materni e paterni, divisi equamente tra le cellule, ma distribuite casualmente; » crossing-over— evento che scambia frammenti di cromatidi omologhi (non fratelli), producendo cromosomi misti. Ogni cellula figlia va incontro ad una nuova divisione, in cui durante la preparazione a questa non si va incontro alla duplicazione del DNA, ma solo dei centrioli, le cui coppie si divideranno quindi tra le due cellule figlie. La meiosi II comprende 3 >» profase II — comporta gli stessi passaggi fondamentali della profase /. Il materiale genetico nel nucleo si condensa a costituire i cromosomi, scompare il nucleolo e l'involucro nucleare si disgrega. Si organizza nuovamente il sistema del fuso meiotico costituito da microtubuli. I microtubuli provenienti dai poli opposti si attaccano i due cinetocori di un cromosoma (in corrispondenza del centromero), il che consente ai cromatidi fratelli di separarsi; metafase II — i cromosomi omologhi si allineano disponendosi nella piastra metafasica; anafase II — la degradazione delle proteine del centromero e la separazione dei cromatidi fratelli segna l'inizio di questa fase. | cromatidi fratelli, una volta separati prendono il nome di cromosomi figli e sono trascinati ciascuno ad un polo opposto della cellula 7 mr mom > felofase II —i cromosomi figli sono giunti ai poli del fuso. Il fuso meiotico si disassembla e intorno a ciascun gruppo di cromosomi figli si forma un involucro nucleare, dentro i quali il DNA torna ad una forma meno compatta pronto ad essere trascritto. Ricompare il nucleolo; >» citodieresi II — citoplasma ed organelli sono divisi tra le due cellule figlie, con le stesse modalità della citodieresi della meiosi I ps TT VV 37 > le quantità di purine (A + G) e di pirimidine (C + T) sono equivalenti; supponendo che la timina si lega con l’adenina e la citosina si lega con la guanina. Tali osservazioni sono note come regola di Chargaff (1950). AU) - OD Ne DNA A = Go — Lt i) O cì Purine = = Pirimisine Nel 1953, Watson e Crick descrissero la doppia elica del DNA © > 2eliche parallele a spirale destrorsa; > basi azotate dei nucleotidi disposte interiormente e zuccheri insieme ai gruppi fosfati all’esterno; > affinchè /e 2 catene di DNA possano accoppiarsi, queste devono essere antiparallele (direzione opposta). La struttura del DNA è definita quindi da 4 caratteristiche fondamentali = > elica a doppio filamento dal diametro uniforme; > destrorsa; > antiparallela; » presenza di solchi maggiori e solchi minori. Le due catene sono tenute insieme, a costituire una doppia elica, tramite legami H tra le coppie di basi azotate (le quali sono dirette verso il centro della molecola) 3 » Asilega conT formando 2 legami H; >» Gsilega con C formando 3 legami H; VOM Loi IL) oltre a questi legami H sono anche presenti forze di Van Der Waals che si formano tra le basi adiacenti dello stesso filamento stabilizzando ulteriormente la struttura. Il concetto di antiparallelismo è dovuto al fatto che Jo zucchero ha dei siti di legame ben precisi per legare il gruppo fosfato che corrispondono al C 3' di una molecola di desossiribosio ed al C 5' della molecola di desossiribosio successiva collegando gli zuccheri. gruppo fosato eg Funzioni del DNA Il DNA è il materiale genetico e la sua struttura ne spiega le funzioni. Nel materiale genetico si trova l'informazione genetica di un organismo. | nucleotidi consentono di leggere i geni tradotti dalle proteine, le quali determinano una specifica funzione. Il materiale genetico è suscettibile mutazioni, cioè cambiamenti permanenti dell'informazione codificata (a livello della sequenza lineare di coppie di basi). Il materiale genetico va incontro ad una precisa replicazione durante la divisione cellulare. Il materiale genetico esprime un fenotipo, il quale corrisponde a © l'informazione contenuta nelle proteine, e quali leggono le informazioni presente nel DNA. il fenotipo è ciò che si vede di un individuo (colore capelli; colore pelle). 40 Replicazione del DNA La replicazione del DNA avviene secondo replicazione semiconservativa a ogni catena funge da stampo formando due nuove catene di DNA, le quali sono formate rispettivamente da un filamento vecchio ad uno nuovo. Dopa un cidlo VK ; VAS 190 un filerrento vecchio compieto e Uno nuovo. Per la sintesi di nuove molecole di DNA sono necessari i componenti che costituiscono i nucleotidi e l'enzima DNA polimerasi, il quale allunga un filamento polinucleotidico legando covalentemente nucleotidi al filamento in crescita sull'estremità C 3. | nucleotidi che formano il DNA sono desossiribonucleosidi MONOfosfato, mentre i monomeri liberi uniti a formare il nuovo DNA sono tre gruppi fosfato (AATP; dTTP; dCTP; dGTP); per cui quando uno di questi si legga filamento in crescita (posizione C 3'), i gruppi fosforici in eccesso liberano energia sostenendo la reazione. La duplicazione (replicazione) del DNA è detta semiconservativa perché ogni filamento parentale funge da stampo per una nuova molecola. La nuova molecola di DNA è quindi costituita da un filamento vecchio e da un filamento nuovo. In corrispondenza dei punti ben precisi detti origine di duplicazione (sito ori) la doppia elica di DNA si separa costituire una bolla di duplicazione, le cui estremità sono dette forcelle di duplicazione. 1) L'enzima elicasi svolge la doppia elica e i due filamenti si separano (impiega energia da idrolisi di ATP) e le SSB (proteine) si legano al singolo filamento impedendo la riassociazione della doppia elica. 2) Avviene la copiatura su entrambi i filamenti contemporaneamente. 3) Gli enzimi DNA polimerasi sono responsabili della sintesi di nuovi filamenti; non sono però in grado di creare un filamento dal nulla e necessitano quindi . 4) RNA primasi sintetizza in breve filamento di RNA complementare allo stampo detto PRIMER. 5) L'enzima DNA polimerasi, aggiunge nucleotidi del nuovo filamento di DNA al primer, a) l'ultimo nucleotide del primer ha sullo zucchero un gruppo ossidrile in posizione 3', che reagisce con il gruppo fosfato in posizione 5' dello zucchero del nucleotide che viene aggiunto. b) si forma un legame fosfodiesterico con la liberazione di energia. La DNA polimerasi può aggiungere un cretino in direzione 5'- 3'e quindi la forcella di duplicazione è asimmetrica e i filamenti sono assemblati in modo diverso a > filamento guida (0 veloce) > sintetizzato in modo continuo (necessita di un solo primer); > filamento in ritardo (o lento) > sintetizzato in modo discontinuo; su questo la RNA primasi sintetizza ogni volta un primer da cui la DNA polimerasi sintetizza un tratto di DNA. Sono detti frammenti di Okazaki e sono uniti a formare il filamento in ritardo grazie all'enzima DNA ligasi che catalizza la formazione del legame. c) | primer (sequenze di RNA) sono sostituiti da sequenze identiche di DNA sintetizzate da un enzima della classe delle DNA polimerasi (DNA polimerasi Il). d) Una DNA ligasi unisce i frammenti di DNA neosintetizzati (nuovi) creando un filamento di DNA unico. La DNA polimerasi si attacca al primer e legge successivamente la catena; i pochi nucleotidi in cui si attacca il primer non vengono letti, quindi ad ogni replicazione di DNA questo si accorcia. All'estremità dei cromosomi si trovano sequenze ripetitive dette telomeri che legano particolari proteine in grado di mantenere la stabilità delle estremità cromosomiche. L'enzima telomerasi catalizza l'aggiunta di una sequenza telomerica persa (solo cellule staminali e tumorali, dato che sono le uniche ad un presentare l'accorciamento dei telomeri). Individuano i telomeri e la loro lunghezza si può risalire all'età oncologica delle cellule. 4 La pecora Dolly (clone) è morta nello stesso periodo della madre perché le cellule avevano la stessa età oncologica. , siii . D Durante la replicazione del DNA ci sono delle possibilità di andare incontro a mutazioni (errori compiuti da DNA polimerasi); per cui ci sono tre meccanismi di riparazione del DNA = » correzione di bozze — correzione degli errori di replicazione man mano che vengono commessi dalla DNA polimerasi. ATTIVITA’ DI PROOF-READING 1) Nucleotide non corretto viene aggiunto alla catena in crescita durante la replicazione; 2) nucleotide non corretto viene immediatamente rimosso dalle proteine dal complesso di replicazione; 3) DNA polimerasi aggiunge nucleotide corretto e procede con la replicazione; > riparazione dei disappaiamenti + verifica del DNA immediatamente dopo la replicazione e la correzione degli appaiamenti sbagliati tra le basi. ATTIVITA’ DI MISMATCH REPAIR 1) Nucleotide appaiato erroneamente e non corretto nella fase di proof-reading; 2) rimozione del nucleotide appaiato erroneamente e di alcuni nucleotidi ad esso adiacenti da parte di proteine per la riparazione degli appaiamenti; 3) DNA polimerasi aggiunge nucleotidi corretti; 4) DNA ligasi unisce i filamenti saldando i punti di rottura; >» riparazione per eccisione — Allontanamento e sostituzione di basi anomale formatesi In seguito a danni chimici 1) Nucleotide del DNA è danneggiato; 2) proteine della riparazione per eccisione tagliano il nucleotide danneggiato e alcuni altri nucleotidi adiacenti; 3) DNA polimerasi I aggiunge i nucleotidi corretti mediante replicazione 5'- 3' del filamento; 4) DNA ligasi unisce i filamenti saldando i punti di rottura. Analisi del DNA Per analizzare il DNA è necessario tanto quantitativo di questo è /a quantità isolata da un campione biologico è troppo piccola. Un metodo per amplificare il materiale in esame e attraverso PCR (reazione a catena della polimerasi), che consente di automatizzare il processo di replicazione copiando molte volte una breve sequenza di DNA in provetta; per fare ciò sono necessari + » campione di partenza (template di DNA a doppia elica); » premier sintetizzati artificialmente e complementari alle sequenze che si vogliono amplificare; > i4 nucleotidi che costituiscono il DNA; > DNA polimerasi; > sali e tamponi per mantenere un pH neutro. PCR avviene secondo 3 1) molecola di DNA con la sequenza da copiare si riscalda 90 gradi > denaturata; 2) quando la miscela si raffredda, i primer ottenuti per sintesi artificiale si associano al DNA a singolo filamento; 3) | nucleotidi è una DNA polimerasi resistente al calore permettono la sintesi di due nuovi filamenti di DNA. Il processo viene ripetuto e la quantità di DINA; la ripetizione quindi consente di ottenere molte copie di DNA in poco tempo. Per analizzare l'elettroforesi su gel di agarosio sul campo elettrico, in cui ogni banda corrisponde ad un pezzo di DNA. 42 Traduzione del RNA L'MRNA maturo migra nel citoplasma attraverso i pori nucleari per essere tradotto dai ribosomi in una sequenza di amminoacidi di un polipeptide. Ogni sequenza di tre basi nucleotidiche lungo il filamento di mRNA dà origine ad un particolare amminoacido; questa sequenza di tre nucleotidi è detta codone. L'MRNA maturo deve entrare in contatto con 3 > fRNA+ legge correttamente i codoni presenti sull’mRNA e trasporta l'aminoacido corrispondente al codone. Presenta tre nucleotidi (un anticodone) che si legano in modo complementare al presente codone sull'mRNA; il codone del tRNA ha un aminoacido corrispondente Ha una struttura molecolare composta da circa 75-80 nucleotidi. Ha una conformazione tridimensionale. Ha 2 siti di legame = o anticodone— gruppo di tre basi nucleotidiche che si appaiano alle basi complementari del RNA; o sito per l'attacco dell'amminoacido. Interagisce con i ribosomi. L'informazione per la sintesi delle proteine si trova nel codice genetico. Il codice genetico collega le informazioni presenti sui geni (DNA) all'mRNA, questo poi dà origine ad ‘amminoacidi che costituiscono le proteine. Le 4 lettere (basi nucleotidiche) forniscono 64 possibili codoni costituiti da tre lettere (4° = 63). 1 64 codoni danno origine ai 20 aminoacidi (codoni differenti possono dare origine allo stesso amminoacido). Alcuni codoni sono fondamentali per iniziare e finire la traduzione delle proteine; questi codoni sono 3 > metionina (AUG) — codone di inizio. Primo amminoacido che si forma in tutte le proteine. » codoni UAA, UAG e UGA — codoni di stop. Arrivati ad una di queste sequenze, la traduzione si ferma. Il codice genetico è quindi © >» universale — in tutte le specie gli amminoacidi sono codificati dagli stessi codoni; *» ridondante — per ogni amminoacido esiste più di un codone; sono quindi presenti più codoni che aminoacidi. Questo risulta utile durante la correzione della replicazione del DNA in cui si può rimuovere e sostituire una sequenza errata utilizzando una sequenza corretta già disponibile. Un amminoacido può essere codificato da più codoni, ma un codone codifica un solo unico amminoacido. Il ribosoma rappresenta il banco di lavoro della traduzione in quanto può legare sia mRNA sia tRNA carichi di ‘amminoacidi; ed è costituito da 3 » 2 subunità = © piccola —> lega mRNA uscito dal nucleo; © grande — presenta tre siti di legame per il tRNA 3 m sito A (amminoacidi) — qui l'anticodone del tRNA si lega al codone dell'mRNA in modo da allineare il corretto aminoacido nella giusta posizione della catena polipeptidica in fase di sintesi (il primo amminoacido è sempre metionina, quindi il primo codone è sempre AUG); m sito P(polipeptide) — qui il tRNA aggiunge il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in accrescimento; 45 m sito E(exit/uscita) + Qui si trova il tRNA che ha appena scaricato il proprio amminoacido prima di staccarsi dal ribosoma e tornare nel citoplasma per legare un nuovo aminoacido e ripetere il ciclo. Il ribosoma è quindi fondamentale per assicurare interazione tra mRNA e tRNA. Le fasi della traduzione sono = 1) inizio — la subunità piccola del ribosoma si lega al MRNA. Il tRNA carico con la metionina (primo amminoacido) si lega al codone iniziale AUG completando il complesso di inizio. La subunità maggiore si lega al complesso di inizio e, allo stesso tempo, il tRNA carico con la metionina occupa il sito P, mentre il secondo codone si trova allineato al sito A. Tutto questo è “assemblato” da proteine definite fattori di inizio. 2) assemblamento + viene inizialmente riconosciuto il codone, per cui l’anticodone di un tRNA in ingresso si lega nel sito A al rispettivo codone appena riconosciuto. a) tramite l'mRNA ha azione l'enzima peptidil-transferasica che 3 i) rompeillegametratRNA (chesitrova nel sito P) ed il suo aminoacido; ii) catalizza la formazione di un legame peptidico tra l'amminoacido appena separato dal tRNA e l'amminoacido legato al tRNA che si trova nel sito A. b) a questo punto il tRNA non più carico va nel sito E per poi essere scaricato appena il ribosoma scorre in avanti di un codone; La catena polipeptidica in crescita si trova quindi nel sito P; c) Il processo si ripete con il ribosoma che si muove di cotone in cotone lungo l'mRNA (direzione 5-3) 3) terminazione — il processo di allungamento della catena polipeptidica (traduzione) termina quando nel sito A entra un codone di stop (UAA, UAG, oppure UGA), il quale lega una proteina detta fattore di rilascio. Il fattore di rilascio permette l’idrolisi del legame tra la catena polipeptidica ed il tRNA situato nel sito P. Quindi la catena polipeptidica si separa dal ribosoma e la sua sequenza di amminoacidi contiene informazioni relative alla sua conformazione e destinazione cellulare definitiva. mRNA e subunità del ribosoma si separano. Esiste anche un complesso definito poliribosoma (o polisoma) costituito da un filamento di mRNA unito a 3 >» diversi ribosomi che lo traducono; >» varie catene polipeptidiche in via di sintesi. Cosa viene dopo la traduzione? Molto spesso i polipeptidi dopo la traduzione devono essere stabilizzati; un polipeptide appunto si ripiega su se stesso assumendo una conformazione tridimensionale che gli permette di interagire con altre molecole (un substrato oppure un altro polipeptide). La sequenza di amminoacidi (sequenza segnale) fornisce istruzioni relative a 3 » indirizzamento della proteina in un determinato organulo; » indirizzamento della proteina al RER per un'ulteriore processamento; » inassenza di segnali, la proteina rimane nel compartimento in cui è stata sintetizzata. Le modificazioni post-traduzionali sono essenziali per il corretto funzionamento della proteina e possono essere 2 » proteolisi — taglio di una catena polipeptidica; permette i frammenti di ripiegarsi nella loro forma attiva; > glicosilazione — aggiunta di zuccheri ad una proteina per formare glicoproteine che solitamente avviene nell'apparato di Golgi o nel reticolo endoplasmatico. Il rivestimento di zuccheri è importante per le funzioni di riconoscimento delle proteine sulle membrane cellulari, mentre In altri casi contribuiscono a stabilizzare le proteine; 46 » fosforilazione — aggiunta di gruppi fosfato ( cambiano conformazione alle proteine). E° catalizzata da proteine chinasi. Ereditarietà, geni e cromosomi La genetica è la branca della biologia che studia l'ereditarietà, ossia meccanismi e regole con cui si trasmettono determinate caratteristiche morfo-funzionali da un individuo all'altro. Per quanto riguarda gli organismi superiori eucariotici, l'eredità genetica, è mediata dalla riproduzione sessuata in cui un gamete femminile e di un gamete maschile determinano la formazione di uno zigote e una conseguente rimescolazione delle informazioni contenute nei cromosomi. Per spiegare come viene regolato questo meccanismo, sono state fatte due ipotesi a a) ereditarietà per rimescolamento (ipotesi errata) i gameti durante la fecondazione si rimescolano, perdendo la loro individualità ed acquisiscono nuove caratteristiche (i figli non sono identici ai genitori); b) eredità particellare (ipotesi corretta) — durante la fecondazione, la progenie può avere determinate caratteristiche ereditate dai genitori che rimangono e che possono rimanifestarsi. Leggi di Gregor Mendel Gregor Mendel era un monaco austriaco ed è considerato il padre della biologia. Mendel è stato in grado di trarre importanti deduzioni grazie al suo metodo sperimentale. Il suo fù un piano di ricerca accurato, dal momento in cui decise di prendere in considerazione le piante di pisello perché a > facilmente coltivabili; >» possibilità di controllare l'impollinazione; > disponibilità di varietà diverse con caratteri somatici differenti; queste piante, inoltre producono fiori dotati sia di organi riproduttivi maschili che femminili e di gameti. Le piante di pisello ricorrono alla autoimpollinazione (se non sono manipolate diversamente) > gli organi femminili di ogni fiore ricevono il polline dagli organi maschili dello stesso fiore. Oltre al fatto che le aveva a disposizione del proprio orto, scelse queste piante per via delle caratteristiche a > lore Jl' involi ] sem lc I fiore; colore del seme; forma del seme; colore del baccello; lunghezza dello stelo; > posizione dei fiori; grazie allo sviluppo di queste piante fù capace di descrivere le /eggi della genetica introducendo il meccanismo del metodo scientifico'°. > > > > Il suo metodo consisteva nell'identificare 3 >» carattere — proprietà fisica visibile dell'organismo determinata dal tratto (es. colore del seme); > tratto — particolare aspetto di un carattere ( diverse variazioni del carattere > es. seme verde o giallo); >» tratto ereditario — proprietà trasmessa dal genitore alla prole. Identificò inoltre le linee pure, cioè piante che dopo diverse generazioni producevano solo piante figlie con lo stesso tratto (tratto dominante), le isolò ed effettuò svariati incroci. 16 Il metodo scientifico, tuttora valido, comprende 3 - progettazione; - scelta del materiale; - esecuzione meticolosa dell'esperimento; - interpretazione intuitiva e logica dei risultati 47 2° legge di Mendel (legge dell’assortimento indipendente) Alleli di geni diversi si assortiscono indipendentemente l'uno dall'altro durante la formazione dei gameti. Spermi 1) si considera un individuo eterozigote per due geni (Rr, Yy) in cui Re Generazione e, ioni Li Z Y provengono dalla madre e r e y dal padre; ar 2) tramite un incrocio di-ibrido (tra due individui doppi eterozigoti), per soli iii via dei 4 gameti (RY; Ry; rY; ry), la generazione filiale F, presenta 4 ® de ® a 9° fenotipi'* e 9 genotipi. Soa I geni segregano indipendentemente — la segregazione degli ” anv | ay e | ny alleli R e r è indipendente da quella degli alleli Y e y. ” o a gove {roy | my [Ly N.B. Questa legge non teneva conto del processo del crossing-over, quindi non ho validità universale. Alberi genealogici Le leggi di Mendel si applicano anche agli alberi genealogici, i quali mostrano la presenza di fenotipi di individui imparentati nel susseguirsi di diverse generazioni. A causa del numero ridotto di figli, nel genere umano è difficile individuare gli effettivi rapporti fenotipici della progenie sugli alberi genealogici. In genetica umana > alleli responsabili di fenotipi anomali sono rari nella popolazione. Bisogna stabilire se questo allele è recessivo o dominante. Due genitori fenotipicamente normali con un figlio con carattere anomalo sono necessariamente eterozigoti (portatori di allele anomalo recessivo). * mettere foto quadro ereditario allele raro* Geni e alleli Il gene rappresenta una determinata sequenza all'interno del DNA. Il DNA costituisce il cromosoma. Ogni carattere ereditato è controllato da una coppia di geni (materno e paterno) e le differenti caratteristiche che lo stesso gene può assumere sono detti alleli. Tutti gli individui presentano una coppia di alleli per ogni carattere ereditario è » individuo omozigote (geneticamente puro) + due alleli identici costituiscono la coppia responsabile di un carattere; » individuo eterozigote (misto) — due alleli diversi costituiscono la coppia responsabile di un carattere. In questo caso, quello che si manifesta è detto dominante, mentre quello che non si manifesta è detto recessivo. Interazioni tra alleli Spesso gli alleli non manifestano semplici rapporti dominanza recessività per cui possono verificarsi situazioni dia >» numerosi alleli per un singolo carattere (polimorfismo > 3 o più alleli) + alleli già esistenti subiscono 18 Manifestati con un rapporto di 9:3:3:1 50 mutazioni dando origine a nuovi alleli. La mutazione è un processo raro e casuale in cui avviene un cambiamento ereditario del materiale genetico. Si definisce allele selvatico quando questo è presente nella maggior parte della popolazione dando origine ad uno specifico fenotipo, mentre forme alternative dello stesso sono definite alleli mutanti e danno origine ad un fenotipo differente'?. * © dominanza incompleta — quando il fenotipo degli eterozigoti e intermedio tra quello dei genitori. Non ci sono alleli dominanti o recessivi per quel carattere; © codominanza — si manifestano più fenotipi. Un esempio di codominanza lo si trova nel gruppo sanguigno in cui la trasmissione ereditaria è determinata da Todi I globul ressi che nan reagiscono con gli ant corpi Tioo di olsbul || Reazione all'adeizione rossi rigottati al anticom tre alleli 3 rossi Gerolipo calsoggerto Ania Ande a A; A B » B seal = 0; In seguito a trasfusioni di sangue non compatibile si formano dei coaguli dovuti a specifiche proteine nel siero (anticorpi) Di che reagiscono con gli antigeni sulle cellule non-self (sangue non dell'organismo). Questa compatibilità è data dagli alleli dello stesso Locus. pennor Reset Le combinazioni dei tre alleli determinano i quattro gruppi sanguigni 3 0 è = 0 0 m A-rigetta B; AÒ > dA um B-:rigetta 4; m AB(codominanti) — non reggete nessun allele; B 6 > è B = 0— ricetta A, B, AB AB — 648 > un singolo allele con effetti fenotipici multipli (pleiotropici) + quando un allele possiede più di un aspetto fenotipico distinguibile. Per esempio in seguito alla mutazione di un gene epatico che porta alla patologia della fenilchetonuria, la quale compromette lo sviluppo. Inoltre, molti disturbi metabolici sono dovuti a processi pleiotropici (geni pleiotropici che possono provocare più patologie). Nei gatti siamesi, uno stesso allele è responsabile del colore degli occhi e del manto. Valobul rossi ch anticorpi s agli Interazione tra geni In fenotipi più complessi come l'altezza si può notare che i caratteri sono influenzati da molti geni e questi interagiscono tra loro per determinare un fenotipo. Inoltre bisogna tenere conto del fatto che i fattori ambientali interagiscono con la costituzione genetica di un individuo contribuendo all'espressione fenotipica. Quando l'espressione fenotipica di un gene è influenzata da un altro gene si parla di epistasi. *Vedi esempio del pelo del labrador sulle slide* L'ambiente influenza l'azione dei geni Il genotipo e l'ambiente possono interagire a realizzare il fenotipo di un individuo (variabili ambientali > es. luce, temperatura). Per esempio i gatti siamesi e alcuni conigli presentano un genotipo che dovrebbe manifestarsi con una colorazione marrone su tutto il corpo, ma questo non avviene perché sopra i 35 gradi si inattiva un enzima; ‘9 Alleli selvatici e alleli mutanti si trovano nello stesso locus genico 51 dato che gli animali hanno circa quella temperatura corporea, la maggior parte della loro pelliccia risulta chiara (solo le estremità sono scure perché hanno una temperatura minore). Interazioni tra geni e cromosomi Tramite studi che avevano come oggetto il moscerino della frutta si sono riuscite a comprendere le relazioni tra geni e cromosomi. Sì conducono studi di questo genere con il moscerino della frutta perché questo è 3 > facilmente allevabile; >» caratterizzato da un rapido susseguirsi di generazioni; >» di dimensioni ridotte. Si conoscono, nel genere umano (con 23 cromosomi), 25-30000 geni che corrispondono a proteine, mentre si conoscono miliardi di nucleotidi; il moscerino della frutta invece ha solo 4 cromosomi quindi risulta relativamente più semplice eseguire esperimenti su questa specie. Agli inizi del 1900, tramite gli esperimenti sul moscerino della frutta, sia arrivò a dire che la 2° legge di Mendel non era del tutto corretta = Si incrociò una drosophila selvatica con una modificata, quindi 3 » generazione F, — risultato normale; come ci si aspettava dalla 1° legge di Mendel; » generazione F.— ci si aspettava una progenie con un rapporto 9:3:3:1, ma si osservano risultati puramente casuali, diversi rispetto a quanto ci si aspettava dalla 2° /egge di Mendel. Meccanismi di ereditarietà legate ai cromosomi sessuali | cromosomi sessuali sono differenti 3 » presentano due strutture differenti 3 o femmine— sono costituiti da una coppia di cromosomi X; o maschi — sono costituiti da un cromosoma X e un cromosoma Y?°; questo determina che durante la trasmissione dei caratteri ci sia una diversa trasmissione degli alleli. Il cromosoma X presenta un numero maggiore di informazioni e molto spesso determina la trasmissione di malattie legate ai cromosomi sessuali. Quando uno spermatozoo feconda una cellula uovo (con cromosoma X) accade a » spermatozoo contenente X — zigote risulta XX (femmina); > spermatozoo contenente Y — zigote risulta XY (maschio). Il frammento che determina il sesso maschile è detto SRY; questo duplica una proteina in presenza del quale, l'embrione sviluppa i testicoli in grado di produrre spermatozoi. | geni situati sul cromosoma X sono trasmessi diversamente perché 3 > il cromosoma X contiene una grande quantità di geni; > il cromosoma Y contiene pochi geni. Per eredità legata al sesso si intende eredità di un gene portato da un cromosoma sessuale. Il cromosoma X, portando molte più informazioni del cromosoma Y, coinvolge geni nella maggior parte degli esempi di eredità legata al sesso. Il cromosoma X può essere portatore di patologie?! = > fenotipo compare più spesso nei maschi che nelle femmine (nei maschi un solo allele recessivo è 2° Determina il sesso. 2! Una di queste può essere il daltonismo, il quale si trasmette per carattere recessivo legato a X. Da ciò ne consegue che a - femmine — portatrici sane; - maschi — malattia conclamata. 52 Cause delle mutazioni A seconda delle cause che producono le mutazioni, si possono avere a >» mutazioni spontanee — consistono in cambiamenti permanenti del materiale genetico senza alcuna influenza estema; ma a causa della continua replicazione delle cellule. Le mutazioni spontanee possono verificarsi per 3 o le 4 basi nucleotidiche del DNA sono altamente instabili; o le basi possono cambiare per via di reazioni chimiche; o la DNA polimerasi può commettere errori durante la replicazione; © una meiosi non perfetta dovuta ad una mancata disgiunzione dei cromosomi omologhi; » mutazioni indotte — consistono in cambiamenti permanenti del materiale genetico a causa di un agente esterno alla cellula (un mutagene) come per esempio retrovirus, composti chimici e radiazioni. | mutageni possono alterare il DNA tramite = © alcune sostanze chimiche che alterano le basi nucleotidiche — per esempio l'acido nitroso induce il processo di deamminazione dell’uracile tramite una reazione con la citosina e di conseguenza /a DNA polimerasi inserisce una A al posto di una C; o alcune sostanze aggiungono gruppi chimici alle basi — per esempio il benzopirene nel fumo della sigaretta aggiunge un voluminoso gruppo chimico alla guanina rendendolo indisponibile per l'accoppiamento; quindi DNA polimerasi inserisce una delle quattro basi casualmente, portando ad avere il 75% di possibilità di avere una mutazione del DNA delle cellule coinvolte (polmonari); o le radiazioni danneggiano il materiale genetico —> queste possono essere 3 m radiazioni ionizzanti (raggi-x, gamma e isotopi) + producono radicali liberi che modificano le basi azotate rendendoli irriconoscibili alla DNA polimerasi e rompono lo scheletro del DNA creando mutazioni cromosomiche; m radiazione UV — assorbita dalla fimina causando legami covalenti tra basi adiacenti e distruggendo la doppia elica. | mutageni possono essere 3 o naturali; o artificiali. In un genoma umano? avvengono circa 16020 di danneggiamento (l'80% dei quali vengono riparati). Le mutazioni consentono l'evoluzione In assenza di mutazioni non ci sarebbe evoluzione. Le mutazioni non guidano l'evoluzione, ma forniscono diversità genetica su cui poi agiscono a > selezione naturale; > altri agenti dell'evoluzione. Le mutazioni possono essere 3 > dannose per l'organismo; > neutre; >» vantaggiose per l'organismo —> ne migliorano l'adattamento all'ambiente. Le duplicazioni geniche possono essere fonte di variabilità genetica, in quanto uno dei due geni svolge la funzione originaria e l'altro acquista una mutazione che acquisisce un fenotipo che può portare un beneficio immediato o un vantaggio selettivo alle generazioni successive. Mutazione legate a malattie genetiche In alcuni casi le malattie genetiche possono essere tramandate alla progenie. Le malattie genetiche possono essere legate a mutazioni 3 ?2 Costituito da 3,2 *10° basi 55 > perdita di attività enzimatica —> per esempio, la fenilchetonuria (PKU) è una malattia in cui l'enzima che converte la fenilalanina a tirosina non è funzionale; portando ad un accumulo di fenilalanina ed acido fenilpiruvico. Sono stati identificati più di 400 mutazioni che causano questa malattia; > anomalie della struttura dell'emoglobina — per esempio l'anemia falciforme in cui viene mutata la forma della proteina e quindi l’eritrocita diventa a forma di falce perdendo capacità di trasportare ossigeno. Gli eritrociti falciformi si bloccano nei capillari > danni tissutali e morte per collasso degli organi. Mutazioni legate a proteine disfunzionali *Inserire immagine tabella* Le distrofie muscolari congenite sono malattie genetiche degenerative in gran parte ereditarie autosomiche recessive. Le sintomatologie possono essere manifestate alla nascita o durante i primi mesi di vita e includono 3 > debolezza muscolare; > ritardo nello sviluppo motorio; » problemi al SNC o difetti al SNP. Dal punto di vista istologico presentano fibre muscolari più allungate meno efficienti. L'espressione a livello del fenotipo è varia è > forme estremamente severe e letali; > forme meno invalidanti e compatibili con aspettative di vita nella norma. Malattia Ipercolesterolemia familiare Fibrosi Cistica Distrofia Muscolare di Duchenne Emofilia A Codominante Autosomica, 11500 Recessiva Autosomica, {4000 Recessiva legata al sesso; 1/3500 maschi Recessiva legata al Sesso; 1/5000 maschi OMIEO lit LDLR; recettore per lipoproteina a bassa intensità CFTR; canale ionico del cloro nella membrana DMD, distrofina HEMA; fattore VIII REI] Malattie cardiovascolari, colesterolemia alta Malattie autoimmunitarie, digestive e respiratorie Debolezza Muscolare Incapacità di coagulare il sangue dopo una ferita, emorragia Mutazioni somatiche e cancro Una mutazione in una cellula somatica può determinare un cancro; nelle cellule tumorali sono appunto state descritte mutazioni cromosomiche puntiformi che coinvolgono oncogeni e oncosoppressori. Affinché una cellula diventi tumorale, sono necessarie più di 2 mutazioni geniche. L'analisi delle mutazioni permette di fare un'analisi di screening sui geni bersaglio arrivando ad una diagnosi e aprendo una strada per una terapia specifica. *Inserire immagine mutazioni somatiche multiple* Molte malattie sono multifattoriali, o sia causata dall' interazione di diversi geni e proteine con uno o più fattori ambientali. Screening genetico Lo screening genetico è un test che viene fatto per identificare le persone predisposte ho portatrici di malattie genetiche; può essere eseguito sia a livello fenotipico che genotipico tramite a 56 » analisi prenatale + valutazione dei cromosomi durante le gravidanze; » screening sui bambini appena nati; » screening sui soggetti fenotipicamente asintomatici per determinare se sono portatori o meno della patologia di cui è affetto un familiare. Test del DNA per identificare gli alleli mutanti Gi tenenti jocce contenenti KE] I DNA di individui da testare FONT %» 000 0000 viene posto su filtro ' | e denaturato. na Garareaa EI Un DNA a singolo filamento cadi ni viene sintetizzato a partire da sibecg ica unallele normale (A) eda uno normale falcemica falcemico (5) | EI Le sonde vengono marcate ibridate al campione di DNA. Y Y EI Le sonde ibrideranno con il Sonda EISTINaza GGTaz DNA che possiede la sequenza Campione MINI GGACTCCTC: [NN MIN GGACA CCTC I complementare. di DNA Madre Padre. Figlio Feto Sonda per e e e e- lidia ibridazione l’allele normale Ì 3 Il colare blu indica Sonda per 1° ® e mancanza di ibridazione, l'alleilcemico | w T AS ASOOAA AS I genatipi dei membri della famiglia (dedotti dall'ibridazione allele-specifica) Terapie delle malattie genetiche La maggior parte delle terapie per malattie genetiche alleviano soltanto i sintomi del paziente; per un trattamento efficace è necessaria una diagnosi . diagnosi tempestiva e accurata. | due approcci terapeutici sono ® » modificazion / fenotipo in: lla malattia — esistono tre modi è © riduzione del substrato di un enzima difettoso — comparsa di sintomi minori; o inibizione di processi cellulari specifici + blocca effetti dannosi dell'accumulo di substrato; © ripristino dell'attività enzimatica mancante + la proteina selvatica sostituisce l'enzima mutante; » terapia genica — sostituzione del gene difettoso. Si cerca di progettare un gene terapeutico inserendolo in un virus trasportatore che può infettare le cellule, ma modificato al fine di evitare che si moltiplichi. Regolazione dell'espressione genica Nei procarioti, l'espressione genica può essere regolata in modo da cambiare rapidamente il contenuto proteico in base a stimoli esterni (ambientali). Una cellula procariote può disattivare la produzione di una proteina (quindi l'espressione del gene) attraverso > >» sottoregolazione della trascrizione di mRNA — per esempio interromperla; > idrolisi di mRNA dopo la sua sintesi > RNA è molto instabile, quindi se si impedisce la traduzione, questo si degrada. impedire la traduzione di mRNA; idrolisi della proteina dopo la sua sintesi; inibire la funzione della proteina. VVVY 57