Biologia 2 PDF

1. Introd zion all biologi Caratteristichedeiviventi La biologia è una scienza che studia gli organismi viventi e l’interazione tra loro e l'ambiente. Studia anche i meccanismi molecolari, chimici e ﬁsiologici. Tutti gli organismi: sonocostituitidacellule crescono sisviluppano siriproducono regolanoilpropriometabolismo rispondonoaglistimoli possiedonol’informazionegenetica. Alla base della vita è presente una piccola particella chiamata Atomo. La materia è composta da atomi. Gli atomi possiedono volume e massa. La massa è una misura della quantità di materia: maggiore è la massa maggiore sarà la quantità di materia. Gli atomi hanno un nucleo con all'interno i neutroni e protoni. Attorno al nucleo ci sono delle orbite con gli elettroni, carichi negativamente. Un protone e un neutrone hanno la massa di un dalton, mentre l'elettrone è ancora più piccolo. Il Protone ha carica elettrica positiva +1, l'elettrone ha una carica negativa -1 e il neutrone ha carica zero. Un elemento è una sostanza pura che contiene atomi dello stesso tipo. Ogni elemento si distingue per il numero di protoni che si chiama numero atomico. Il numero atomico è invariabile. Inoltre, le caratteristiche sono date anche dal periodo. Da l'informazione su dove l'ultimo elettrone andrà a saturare l’orbitale. Il numero di massa rappresenta la somma dei protoni e dei neutroni inoltre corrisponde con la massa di un atomo espressa in Dalton. Un isotopo è un atomo di un qualunque elemento che ha lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa. Gli isotopi sono stabili ma esistono anche i radioisotopi che sono instabili e liberano energia sotto forma di oradiazioni. Questa immissione di energia si chiama decadimento radioattivo. Trasforma l'atomo originale. La massa atomica relativa corrisponde alla media dei numeri di massa di un campione di atomi di un elemento. Le reazioni chimiche cambiano la distribuzione degli elettroni fra gli atomi quindi modiﬁcano la composizione delle sostanze. La porzione di spazio nella quale si individua l'elettrone si chiama orbitale. Un orbitale può essere occupato da due elettroni al massimo e si riempiono secondo i gusci elettronici: Primostrato:lostratoelettronicopiùinterno,consisteinunsoloorbitale. Secondostrato:ilsecondostratocontienequattroorbitaliequindipuòcontenereﬁnoa8 elettroni. 1 Stratisuccessivi:glielementichehannopiùdi10elettronipossiedonotreopiùstrati elettronici. L’orbitale elettronico più interno si riempie per primo ed è lo strato più esterno a determinare in modo in cui l'atomo si combina con gli altri atomi. Se l'atomo è stabile è meno probabile che reagisca con altri atomi, se invece l'atomo contiene elettroni spaiati il loro strato esterno è instabile, quindi ci saranno reazioni. Gli atomi reattivi possono raggiungere la stabilità condividendo o perdendo elettroni con altri atomi. Gli atomi coinvolti si trovano legati insieme e raggiungono una stabilità diventano molecole. Il legame chimico è una forza di attrazione che lega i due atomi insieme per formare la molecola ed esistono vari legami: Legamecovalente Legameidrogeno Legamecovalente Il legame covalente si forma quando due atomi raggiungono numero stabile di elettroni nei loro strati esterni, condividendo una o più coppie di elettroni. Un composto è una sostanza pura fatta di due o più elementi diversi legati insieme in proporzioni ﬁsse ogni composto possiede una massa molecolare Somma delle masse atomiche di tutti gli atomi costituenti la molecola. I legami covalenti sono molto forti e ci vuole una grande quantità di energia per romperli. La lunghezza del legame covalente è sempre costante e anche la loro orientazione, ma la forma della molecola può variare. Due atomi possono condividere più di una coppia di elettroni, formando legami covalenti multipli: Legamesingolo Legamedoppio Legamitripli Per poter condividere gli elettroni e formare un legame covalente i due elementi possono essere anche diversi, e in questo caso il nucleo potrà esercitare una forza di attrazione maggiore sulla coppia di elettroni condivisa: questa forza si chiama elettronegatività. Se gli atomi hanno una elettronegatività simile formeranno un legame covalente apolare se invece gli elettroni vengono attratti verso uno dei due nuclei, si creerà un legame covalente polare. Il legame detto popolare perché le cariche di segno opposto si troveranno separate. 2 Legameidrogeno Un legame idrogeno è più debole perché la sua formazione è dovuta a cariche parziali. I legami idrogeno possono essere molto numerosi all'interno della stessa molecola. Se una molecola polare interagisce con l'acqua, è detta idroﬁla. Generalmente le sostanze polari sono idroﬁle. Le sostanze che non interagiscono con l'acqua sono idrofobiche. Se la sostanza è idrofobica, l'acqua cercherà di limitare l'unione con essa e l'angolo di contatto sarà più basso. Una sostanza idroﬁla, sarà circondata da molecole di acqua orientate grazie ad un'interazione elettrica statica. Le sostanze idrofobiche non creano interazioni e le molecole idrofobiche tenderanno ad avvicinarsi tra di loro. Le interazioni tra sostanze apolari aumentano grazie alle forze di Van der Waals. Che agiscono quando gli atomi di due molecole si trovano vicini. Queste interazioni si possono veriﬁcare sia con le molecole polari che apolari. L’acqua:l’unitàfondamentaleperlavita L'acqua è una molecola polare perché l'attrazione degli elementi non è la stessa quindi c'è uno sbilanciamento di carica polare. Una cellula è formata dal 70% d'acqua ma la quantità di acqua varia al tipo di tessuto. L'acqua è un dipolo elettrico, quindi inﬂuenza il comportamento e la distribuzione delle altre molecole: spinge le polari verso di sé e spinge le apolari lontano da sé. Il dipolo induce la formazione di legami a idrogeno fra le molecole di acqua conferendo alla molecola una forma tetraedrica. Il calore speciﬁco di una sostanza corrisponde alla quantità di energia termica necessaria per elevare di 1 °C la temperatura di 1 grammo di sostanza. Ha un elevato calore di evaporazione cioè occorre molto calore per poter portare l'acqua allo stato gassoso. Quando l'acqua è liquida contiene molti legami idrogeno e a 100 gradi si rompono. Il Dipolo consente all'acqua di essere un solvente e trasportare nella cellula cataboliti e anaboliti: Lacoesioneèlacapacitàchehannolemolecolediacquadiresistereallaseparazionese sono sottoposte a un'attenzione e si forma una tensione superﬁciale. Incomprimibilitàsigniﬁcacheall'acquanonèpossibileridurneilvolumeesercitandosulla sua superﬁcie una pressione. haunpHneutro. 3 2. L macromolecol Gli esseri umani sono costituiti da quattro tipi di molecole: le proteine, i carboidrati, gli acidi nucleici -che sono polimeri - e i lipidi che invece sono monomeri. Le macromolecole sono deﬁnite polimeri biologici, cioè risultano dall’unione di unità semplici uniti da legami chimici covalenti forti. Le unità semplici prendono il nome di monomeri e le reazioni che portano alla formazione di polimeri si chiamano reazioni di polimerizzazione. Le reazioni permettono l’aggiunta dei monomeri ad altri monomeri e si basano sulle reazioni di condensazione. La formazione del legame covalente si realizza grazie alla reazione di condensazione (con l’eliminazione di una molecola di acqua). Se si ha già un polimero e si vuole arrivare al monomero bisogna spezzare il legame grazie alla reazione di idrolisi. Le macromolecole inoltre sono costituite da migliaia di atomi. I gruppi funzionali sono dei piccoli raggruppamenti di atomi. Ogni gruppo funzionale ha delle proprietà chimiche speciﬁche perciò conferiscono alle macromolecole le proprie caratteristiche. In una sola molecola biologia possono esserci moltissimi gruppi funzionali e in base alla molecola, i gruppi Gli funzionali isomeri assumono che sono molecole diverse conﬁgurazioni diverse. hanno la stessa formula chimica ma sono disposti diversamente nello spazio: Isomeristrutturali-di erenzianoperilmodoincuigliatomisonolegatitradi loro. IsomeriCistrans-presentanoundoppiolegametradueatomidicarbonioche condividono tra loro due coppie di elettroni. Isomeriottici-Incuil'atomodicarbonioèlegatoaquattroatomidiversi. Le due molecole ○ sono una speculare all'altra. ○ Leproteine Sono macromolecole biologiche formate da 20 aminoacidi disposti in ordine diverso. Le proteine sono costituite da una o più catene polipeptidiche di aminoacidi unite da legami covalenti. Ogni catena si ripiega su se stessa assumendo una particolare conﬁgurazione tridimensionale. Ogni amminoacido ha un gruppo funzionale carbossilico è un gruppo funzionale amminico ed entrambi sono legati al carbonio Alfa. Al carbonio Alfa sono legati anche un atomo di idrogeno e un gruppo R. Il carbonio Alfa è asimmetrico perché è legato a quattro diversi gruppi di atomi quindi gli aminoacidi possono esistere come isomeri ottici detti D-aminoacidi o L-aminoacidi. 4 Il gruppo R è importante per determinare la struttura tridimensionale della proteina e anche la sua funzione. Il legame peptidico serve per formare le proteine. Gli amminoacidi si devono unire tramite questo legame che consente la formazione di una catena di aminoacidi. È un legame forte di tipo covalente e avviene tra il gruppo amminico terminale e il gruppo carbossilico terminale. Le proteine sono formate da una sequenza di amminoacidi. Questa sequenza si chiama struttura primaria. Per svolgere la propria funzione devono avere almeno la struttura terziaria. La struttura è importante perché determina la funzione speciﬁca della proteina stessa. IlDNAinizialmentedeterminalasequenzadellastruttura.Successivamentesaràlastessa struttura a determinare le strutture successive. Ègeneticamentedeterminata. Esisteunasolastrutturaprimariaperogniproteina. Determinailivellistrutturalisuperiori,quindil'interafunzionedellaproteina. Basta un solo aminoacido sbagliato per compromettere il funzionamento della proteina. Può succedere per una mutazione da parte del DNA come per l'anemia falciforme. La struttura primaria forma una proteina che però non è in grado di svolgere nessuna funzione quindi deve assumere una conformazione (organizzarsi nello spazio assumendo una struttura tridimensionale). Si forma così la struttura secondaria le quali vengono deﬁnite proteine ﬁbrose. Le proteine ﬁbrose nelle cellule svolgono funzioni meccaniche (resistenza meccanica e proprietà elastiche): collagene cheratina(capellieunghie) ﬁbrina(coagulazionesangue) elastina(arterie) tubulina(microtubuli,citoscheletro) La struttura secondaria di una proteina consiste di conﬁgurazioni spaziali regolari e può essere di tre tipi: Alfaelica-Èunaspiraledestrorsaehaunastrutturaelicoidale.Èstabilizzatadallegame idrogeno che si generano tra gli atomi di aminoacidi, in particolare ogni quattro aminoacidi. Il gruppo alfa di ogni aminoacido è proiettato verso l'esterno, perché conferisce le proprietà e le caratteristiche polari alla proteina e per farlo il gruppo deve essere esposto. Betafoglietto-Sicomponedidueopiùcatenepolipeptidichequasidisteseeallineate l'una vicino all'altra. E’ una struttura piatta rispetto alla Alfa Elica e i suoi aminoacidi sono posizionati vicini a distanza di 0,7 nanometri. Si può osservare da un ammino terminale o dal carbossilico terminale e possono essere parallele o antiparallele. Si stabilizza grazie a legami a idrogeno tra i gruppi NH. 5 loop Le strutture tridimensionali, a partire dalla secondaria, dipendono da interazioni deboli. Queste interazioni prese singolarmente si rompono facilmente ma quando si trovano in maggiore quantità conferiscono stabilità e possono essere anche deformabili, cioè si modiﬁcano per far sì che le macromolecole possano comunicare tra di loro. La struttura terziaria è data dal ripiegamento della struttura secondaria e vengono deﬁnite proteine globulari. Le proteine globulari non svolgono direttamente delle funzioni strutturali ma possono essere delle componenti che ne partecipano catalisi(enzimi) trasporto(metalli,lipidimembrana) deposito(ferritina) immunitaria(anticorpi) comunicazione regolazione Un enzima è una proteina terziaria che sono catalizzatori. Loro catalizzano una reazione chimica, cioè aumenta la velocità delle reazioni chimiche, abbassando l’energia di attivazione. Come abbassano l’energia? Con un meccanismo di tipo “chiave-serratura” molto speciﬁco. L’enzima presenta delle regioni che sono capaci di legarsi in modo speciﬁco i reagenti (chiamati substrati in questo caso). I substrati vengono richiamati verso le regioni dell’enzima perchè hanno molta a nità. Queste regioni si chiamano Sito attivo, si forma un complesso enzima-substrato, poi i substrati vengono rilasciati sotto forma di prodotti. La proteina è in grado di svolgere la propria funzione solo quando assume la struttura terziaria e si dispongono nella conformazione ad energia minima (conformazione nativa) Imotivifrequentisonodeimodiincuisonodispostelestrutturedelleproteineterziarie. Undominioproteicoèunapartediunaproteinaingradodiadottareunastrutturainmodo autonomo o parzialmente autonomo dal resto della molecola. A volte i domini sono singoli, altre sono composti. E si modiﬁcano a vicenda durante la funzionalità della proteina. Per stabilizzare la struttura si formano nuovi legami oltre a quello peptidico. Legameidrogeno LegameIonico Dipolodipolo Pontididisolfuro:legamitraaminoacidiconatomidi disolfuro. Si generano grazie a interazioni tra aminoacidi disposti anche lontani perché vengono avvicinati tra di loro. Gli aminoacidi idrofobici si chiuderanno all'interno della struttura, quelli idrolitici all'esterno. 6 Quando alcune proteine con la struttura terziaria non riescono a svolgere la propria funzione interagiscono tra di loro mediante legami chimici non covalenti ﬁno a formare la struttura quaternaria. es.L’emoglobinaèunastrutturaquaternaria,inciascunadellequattrocatenepresentaungruppo eme centrale. Il gruppo eme coordina l’atomo di ferro e non è fatto di amminoacidi. Siccome non è fatto di amminoacidi prende il nome di gruppo prostetico. L'emoglobina è formata da quattro subunità (due alfa e due beta) e sono tenute insieme da interazioni idrofobiche, forze di Van der Waals, interazioni ioniche e legami idrogeno. Quando le catene si uniscono, perdono il ruolo di proteina unica per formare la subunità. es.Immunoglobuline es.iprionisonodelleproteinepresentinelnostroorganismomaseperdonolaloroconformazione possono diventare agenti infettivi e far scatenare la malattia della mucca pazza. Se la struttura quaternaria è formata da più subunità distinte legate tra loro prende il nome di proteine oligomeriche La proteina svolge la sua funzione solo se ha assunto le sue conformazioni in modo preciso. Denaturare le proteine signiﬁca fargli perdere la sua funzione facendogli perdere la struttura terziaria, parzialmente la secondaria mentre la primaria rimane intatta. La denaturazione si può veriﬁcare attraverso un aumento della temperatura ad esempio. Unaproteinaperpotersvolgerelesuefunzionideveesserestrutturatanellasuaconformazione nativa. Il folding e l'acquisizione della conformazione nativa. La conformazione nativa è la più stabile e la proteina non deve spendere energia per mantenere la sua forma, con questa energia la proteina può cambiare conformazione: togliendo l'energia, la proteina può ritornare all'origine. Nelle cellule viventi può succedere che un polipeptide si leghi alla molecola sbagliata, per evitare che ciò accada i ﬁlamenti polipeptidici hanno una classe speciale chiamate chaperonine. Le cellule chaperon proteggono la conﬁgurazione tridimensionale di altre proteine. Una proteina chaperon ha una struttura a gabbia che attira al suo interno il polipeptide e lo fa ripiegare nel modo corretto per poi liberarlo. Icarboidrati Sono macromolecole chiamate anche idrati di carbonio ma non sono esattamente idrati perché le molecole di acqua non rimangono intatte. Possono avere una forma lineare, ramiﬁcata, ad anello e anche cis trans. I carboidrati sono molto importanti perché hanno molte funzioni: 7 Riserva-comeilglucosioel’amido trasporto Capacitàdiristrutturareloscheletrocarbossilico. Sonosiaintracellularecheextracellulare. possonoesserelegatiomenoallacellula Sono composti sia da delle molecole del Regno vegetale che animale. Funzione strutturale e riserva. In base a come si dispongono le catene dei carboidrati cambia anche la loro funzione. I carboidrati si distinguono in: Monosaccaridi-Sonozuccherisemplici Disaccaridi-Formatidaduemonosaccaridiunitidalegamicovalenti(saccarosio) Oligosaccaridi-Formatidaalcunimonosaccaridi. polisaccaridi-Formatidacentinaiaomigliaiadimonosaccaridi Il glucosio serve ad accumulare e trasportare energia nel nostro organismo. Il glucosio esiste come catena aperta o chiusa ad anello e la forma ad anello prevale in quasi tutti gli esseri viventi. Esiste la forma Alfa glucosio e beta glucosio: di eriscono per la disposizione dei gruppi H e OH I polisaccaridi sono polimeri di grandi dimensioni. L'amido è un polisaccaride ed è il composto principale che le piante usano come riserva energetica. Il glicogeno è un polimero del glucosio ed è insolubile in acqua. Serve a immagazzinare il glucosio nel fegato e nei muscoli ed è quindi un composto di riserva energetica per gli animali. La cellulosa è componente principale delle pareti cellulari nelle piante. Alcuni carboidrati vengono modiﬁcati chimicamente per aggiunta nei gruppi funzionali. Ilipidi I lipidi fanno eccezione riguardo la struttura polimerica che hanno le altre macromolecole. Nei lipidi non c’è questa struttura polimerica. I lipidi sono insolubili in acqua e solubili in solventi che hanno le loro stesse proprietà, cioè sono apolari e idrofobe. Le sostanze idrofobe non sono solubili in acqua e tendono a respingerla, al contrario le sostanze idroﬁle si sciolgono in acqua e sono polari I lipidi più semplici sono i trigliceridi, in temperatura ambiente sono liquidi (oli) oppure solidi (grassi). I trigliceridi hanno una funzione energetica. Quando sono in eccesso vengono accumulati in particolari cellule che fanno parte del tessuto adiposo, le cellule inerenti a questo tessuto si chiamano adipociti. Come è fatto un trigliceride? E’ formato da una molecola di glicerolo al quale sono legate 3 molecole di acidi grassi. 8 Il glicerolo è un alcool trivalente, cioè è composto da tre funzioni alcoliche OH per questo è trivalente. Il glicerolo si lega a 3 acidi grassi, uno per ogni funzione alcolica. Cosa sono gli acidi grassi? Sono acidi carbossilici a lunga catena di atomi di carbonio. La funzione carbossilica è rappresentata da COOH. Il fosfolipide è formato da glicerolo al quale si legano due molecole di acido grasso, la terza funzione alcolica non è presente quindi si lega un gruppo fosfato che a sua volta legherà un’altra molecola con caratteristiche polari. Il gruppo fosfato porta una carica negativa e anche la molecola polare è negativa perciò hanno entrambe una a nità per l’acqua. La parte che ha a nità per l’acqua si chiama Testa. Gli altri acidi grassi sono idrofobi e respingono l’acqua. Le due molecole di acido grasso sono apolari quindi prendono il nome di Code. Testa (polare) coda (apolare). I fosfolipidi sono molecole anﬁpatiche, cioè hanno un doppio comportamento perché è sia polare che apolare. I fosfolipidi in acqua formano un doppio strato fosfolipidico dove le code sono orientate verso l’interno e le teste all’esterno dove è presente l’acqua. I fosfolipidi formano tutte le membrane biologiche. Gli steroidi sono lipidi complessi ma formano il colesterolo, e dal colesterolo si originano altri steroidi come la vitamina D, gli estrogeni, il testosterone e il cortisolo. ps. Il colesterolo fa parte delle membrane ed è una molecola anﬁpatica I BIOELEMENTI I bioelementi che costituiscono la materia vivente sono il carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, calcio, fosforo, potassio, zolfo, sodio, cloro, magnesio, ferro. Poi ci sono elementi traccia che costituiscono meno dello 0.01% es.loiodiorappresentail0.0004%eunacarenzadiessoinﬂuiscesullafunzionedellaghiandola tiroide Gliacidinucleici Esistono due acidi nucleici , RNA e DNA. Sono acidi e sono nucleici perchè si trovano nei nuclei delle cellule eucariote. Gli acidi nucleici sono formati da monomeri uniti da legami covalenti, questi monomeri si chiamano nucleotidi e il legame è fosfodiestere. Il nucleotide è formato da un gruppo fosfato (inorganico che deriva dal gruppo NaO4), accanto al gruppo fosfato è presente uno zucchero pentoso, costituito da cinque atomi di carbonio, e l’ultimo elemento è una base azotata. Il nucleoside è formato da uno zucchero e da una base azotata, è una struttura che può girare liberamente nella cellula a di erenza del nucleotide. 9 Lo zucchero ha 5 atomi di carbonio, lo zucchero pentoso che costituisce i nucleotidi del Dna si chiama desossiribosio mentre quello che costituisce il Rna è il ribosio. Il Ribosio di erisce per l’assenza di un atomo di ossigeno. Le Basi azotate possono essere quattro. Nel Dna sono: adenina, citosina, guanina e timina. Nell’Rna sono: adenina, guanina, citosina e uracile (che sostituisce la timina). L’adenina e guanina sono basi più grandi e sono deﬁnite purine, mentre citosina, timina e uracile sono più piccole e sono deﬁnite pirimidine. Legamefosfodiesterico È il legame che unisce due o più nucleotidi adiacenti. Il legame fosfodiesterico collega l’atomo di carbonio in posizione 3′ dello zucchero di un nucleotide con il carbonio in 5′ del nucleotide successivo. Il DNA è formato da due catene polinucleotidiche che sono direzionate 5’-3’ sono complementari e antiparallele. Queste catene stanno insieme grazie a delle interazioni deboli chiamate legami idrogeno e si formano in modo speciﬁco tra adenina e timina e tra la citosina e guanina. A e T sono legate tra di loro da due legami idrogeno mentre C e G sono tenuti insieme da tre legami idrogeno. La doppia elica del DNA sarà molto più stabile quante più coppie C-G ci saranno perché tre legami idrogeno sono più forti di due. Per rompere la doppia elica bisogna alzare la temperatura ﬁno a 100 gradi e lasciarla per 15 minuti. La somma delle Adenine e delle Guanine è uguale alla somma delle pirimidine. L'appaiamento è esclusivo e ciò garantisce che quella del DNA sia costante. Per rompere il legame tra citosina e guanina è necessaria più energia perché sono legate da tre legami idrogeno. La temperatura di melting consiste nella temperatura necessaria per rompere i legami idrogeno che tengono insieme il DNA. Il DNA è una doppia elica a spirale destrorsa e il suo passo è di 20 Armstrong. La struttura del DNA non è regolare, ma si forma il solco maggiore e quello minore. Ilsolcomaggioreèilpiùimportante,perchéstabilizzalamacromolecola,22A ilsolcominore12A Ogni giro di elica corrisponde a 34 A, ed Esiste in tre diverse conformazioni: a-DNAÈunaspiraledestrorsa,piùcompatta,conunpassominoredi34Armstronge diametro maggiore di 20 armstrong. b-DNAèlaconformazionechesitrovanellecondizionistandardconphneutro. z-DNAHaunandamentosinistrorsoèunpassominoredi20Aegiromaggiore di 34 A 10 Esercizio: 5’-ATTGGCAGCCCC-3’ qual è la sequenza complementare? 3’-TAACCGTCGGGG-5’ Il Dna ha due funzioni importanti: 1. siduplicaperchèèlamolecolachecontienel’ereditarietà.Daràorigineadellemolecole che potranno essere trasmesse da generazione a generazione. 2. contieneleinformazionipercostruireleproteine. RNA E’ una catena di ribonucleotidi, è una singola catena formata da nucleotidi. I ribonucleotidi sono uniti da 5’-3’. Ci sono molti tipi di Rna: RNAribosomiale(rRNA)fapartedeiribosomierealizzanoleproteine RNAmessaggero(mRNA)portal’informazionesucomedeveesserefattala proteine Rnaditrasferimento(tRNA)trasportagliamminoacididurantelasintesi proteica. Quindi la funzione dell’Rna è quella di trascrivere le informazioni dal dna e traduce le informazioni in proteine. 11 3.L cellul Una cellula è l’unione della macromolecole biologiche. Esistono due tipi di cellule: procariote ed eucariote. Procarioti Eucarioti Sonounicellulari Sonopluricellulari(vegetalieanimali) Sonobatteri Sonounicellulari(protozoi) Non hanno un nucleo deﬁnito ma il DNA è presente in una Ha un nucleo delimitato dalla membrana dove contiene il regionechiamataNucleoide* Dna Il citosol è l’ambiente interno alla cellula e non ci sono organuli La cellula all'interno contiene il citoplasma dove sono E’delimitatadaunadoppia presentigliorganuli membranafosfolipidica E’delimitatadaunadoppiamembranafosfolipidica Sonopresentiiribosomi Ancheivegetalihannounaparetecellularemaèformata IlDnadeibatterièadoppio dicellulosa.E’importanteperchéibatteripossonoessere ﬁlamentomaèsingolaedè distintiingrampositiviegramnegativi* circolare. Prende il nome di Dna genomico.Accantoc’èun Contieneribosomipresentiinmaggioriquantitàeanche plasmide*(info.perproteine) piùgrandi Può avere dei pili sulla superﬁcie I batteri inoltre hanno una parete cellulare* al di fuori della membrana. Alcuni batteri possono avere al di fuori una capsula* *plasmide= è una molecola identica al DNA e si trova accanto ad essa e dà le informazioni per produrre le proteine necessarie per respingere gli antibiotici, è presente solo in alcuni batteri. *Nucleoide= zona più densa dove è contenuto il dna nei procarioti e non ha membrana, non è un organulo. *Parete cellulare= protegge il batterio da agenti esterni (temperature, l’isi..) * La capsula è gelatinosa, si trova al di fuori della parete ed è tipica dei batteri patogeni. *Gram positivo= sono batteri che si colorano di violetto *Gram negativo= sono batteri che si colorano di rosa/fucsia. La colorazione di gram è importante perché gli antibiotici possono attaccare i gram positivi o negativi. Come si riproducono i batteri? Tramite la scissione binaria, (la ﬁssione binaria è nucleare). Prima che la cellula si divida deve duplicare il suo Dna genomico, una volta duplicato la cellula batterica si accresce e il dna si divide in parti uguali e si formano due cellule. ps. la riproduzione asessuata è simile alla scissione ma riguarda i pluricellulari. Cellulaeucariote La cellula eucariote costituisce la gran parte degli organismi pluricellulari e anche alcuni organismi unicellulari, inoltre possono essere animale o vegetale. Rispetto alle cellule procariote sono molto più grandi e complesse. Il loro diametro va dai 10 μm a 100 μm. 12 Nella cellula eucariote è presente un citoplasma che corrisponde ad una sostanza composta prevalentemente da acqua. Nel citoplasma si trovano dei compartimenti membranosi chiamati organuli; il nucleo è l’organulo più voluminoso ma non è l’unico ad essere presente nella cellula. Gli organuli sono caratterizzati da strutture e funzioni speciﬁche che consentono lo svolgimento delle attività cellulari in compartizioni distinte. In un organismo pluricellulare animale le cellule eucariote possono avere molte forme (come i neuroni, globuli rossi…) Negli adulti i globuli rossi hanno perso il nucleo per avere più possibilità di legare l’emoglobina. Membranacellulare La membrana cellulare, detta anche plasmatica, fa da conﬁne tra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare. La cellula gestisce le attività attraverso la membrana plasmatica, ma nelle cellule procariote la membrana è una soltanto a di erenza delle eucariote che ne presentano di più. Gli unicellulari scambiano materiale solo con l’esterno mentre i pluricellulari possono scambiarlo anche con altre cellule. La membrana è costituita da un doppio strato di fosfolipidi (una testa polare idroﬁla e le due code apolari che sono idrofobiche) e misura circa 7-9 nm. I fosfolipidi sono molecole anﬁpatiche e molti fosfolipidi che formano la membrana esterna sono legati ad una componente glucidica (generalmente un glicosaccaride) e in questo caso prendono il nome di glicolipidi. I glicolipidi sono formati dall’unione di un carboidrato e un lipide tramite un legame covalente. I fosfolipidi non sono mobili ma possono muoversi in tre modi: ruotando su di loro (rotazione), scivolando di lato (scivolamento) oppure scambiando versante (ﬂip ﬂop) I fosfolipidi non sono l’unica componente lipidica ma è presente anche il colesterolo che è un lipide/steroide. Il colesterolo è fondamentale perché rende la membrana ﬂuida e questa è una caratteristica fondamentale perché rende possibile lo scambio delle sostanze, ma nonostante ciò il colesterolo non deve essere né troppo abbondante né troppo poco perché la membrana perderebbe la sua ﬂuidità. Le membrane sono costituite anche da altre macromolecole: proteine e zuccheri. Nel doppio strato fosfolipidico sono presenti le proteine di membrana, generalmente una molecola proteica ogni 15 molecole di lipidi. Le proteine di membrana si suddividono in due gruppi: proteineintegraliointrinseche:laproteinaattraversalamembranacompletamente oppure anche parzialmente, esponendo una porzione della parte intracellulare e una nella parte extracellulare. Queste proteine presentano delle regioni idrofobiche e delle regioni idroﬁliche. Sono chiamate anche proteine transmembrana (solo se attraversano la membrana completamente) e possono essere monopasso o polipasso, dipende dal numero di volte che entrano all’interno della membrana. Le proteine si legano alla membrana con legami covalenti forti perciò se si rimuovono con trattamenti forti provocano una successiva distruzione della membrana. proteinaestrinsecheoperiferiche:sonoprivedigruppiidrofobiciespostiinsuperﬁciee non sono inserite nel doppio strato fosfolipidico. Presentano invece regioni polari o cariche che interagiscono con le parti esposte dalle proteine integrali di membrana o con le teste polari delle molecole fosfolipidiche. Queste proteine non si legano alla membrana con legami forti perciò possono essere rimosse evitando di rovinare la membrana. 13 Nella membrana si trova anche la componente zuccherina. Queste componenti emergono o dalle teste dei fosfolipidi o dalle proteine, ma solo se sono rivolte verso la parte extracellulare. Questi zuccheri sono i glicocalice. Il glicocalice non è altro che un rivestimento della superﬁcie cellulare fatto di zuccheri. PS: la componente zuccherina che emerge dal globulo rosso è responsabile della determinazione del gruppo sanguigno. La membrana vede varie proteine incastonate in essere ﬁno a formare il modello a mosaico ﬂuido. Le proteine rappresentano le tessere di un mosaico che ne deﬁniscono la parte disegnata del mosaico, mentre i fosfolipidi sono lo sfondo del disegno, ﬂuido perché il colesterolo non la rende rigida. Dato il modello a mosaico ﬂuido la membrana assume diverse caratteristiche: Fluida:ilcolesterolomodulalamobilitàdeifosfolipidi,limitandolaﬂuiditàquandoè presente in alte concentrazioni. I lipidi si muovono per via di un movimento termico e i principali fattori sono: ○ temperatura ○ lunghezzadellacodadegliacidigrassi ○ gradodiinsaturazionedegliacidiedellecode ○ caratteristichedellatestapolare ○ concentrazionecolesterolonellamembrana. Le cellule vegetali hanno anche una parete cellulare che riveste la membrana. La parete è formata da ﬁbrille di cellulosa immerse in una matrice composta da altre molecole. Essa conferisce resistenza e ﬂessibilità alle piante grazie a dei canali chiamati plasmodesmi grazie ai quali avviene lo scambio di acqua e piccole molecole. Discontinua:lamembranaècontinuamenteinterrottadalcolesteroloedalleproteine (quelle dominanti sono le alfa eliche). I carboidrati associati alle membrane sono legati ai lipidi o alle proteine e sono situati solo sulla membrana esterna per poter interagire con altre sostanze presenti nell’ambiente. Le proteine e i lipidi stabiliscono tra di loro interazioni non covalenti e svolgono numerose funzioni come ad esempio: trasportatori, canali, proteine di ancoraggio, recettori ed enzimi. Asimmetrica:questacaratteristicasiveriﬁcadalfattochelebiomolecolenonsono distribuite in modo equo in tutta la membrana ma hanno una disposizione casuale Nucleo Nelle cellule eucariote il DNA è situato nel nucleo. Il nucleo è l’organulo più voluminoso delle cellule e misura 5 μm. Il nucleo è un organulo che presenta una doppia membrana; una membrana sarà “membrana nucleare esterna" l’altra “membrana nucleare interna” e tra le due membrane si trova lo spazio intermembrana (perinucleare) La membrana nucleare è un involucro nucleare (detto anche il carioteca) cioè membrana interna + esterna. Ogni membrana nucleare presenta le componenti di una membrana normale tranne gli zuccheri. 14 Il nucleo ha la possibilità di ricevere le sostanze dal citoplasma ma può anche farle uscire. A livello dell’involucro troviamo dei pori nucleari che consento i passaggi in ambe le direzioni, ma non sono aperti per tutte le sostanze. Il complesso del poro comprende un insieme di proteine grazie al quale solo alcune sostanze entrano e altre escono. La cromatina è la parte interna del nucleo dove si trovano il DNA, proteine e l’RNA. Il DNA si trova sotto forma di 46 molecole di DNA sono lineari; e le proteine presenti possono essere di due tipi: nonistoniche:sonotutteleproteinechedevonostarenelnucleoperfarglisvolgerelasua funzione di duplicazione e trascrizione. Un esempio di proteine non istoniche sono dna polimerasi, elicasi, topoisomerasi, ligasi, rna polimerasi. istoni:sonoproteinechehannolafunzionedilegareﬁsicamentele46molecolediDNA perché l’unione delle 46 molecole formerebbe un ﬁlamento lungo 2 metri, perciò gli istoni le raggruppano. Esistono di 5 tipi di istoni: ○h1 ○h2a ○h2b ○h3 ○h4 Tutti sono presenti a coppie tranne gli istoni H1. Sono proteine cariche positivamente perché il DNA è carico negativamente quindi si legano insieme. Gli istoni creano delle interazioni per raggruppare le 46 molecole: ilprimomodoconcuigliistonisileganoaldnaportaallaformazionedelnucleosoma.Il nucleosoma è fatto di un ottamero di istoni perché tutti gli istoni si associano formano l'ottamero attorno al quale si avvolge il DNA per due volte. Questo accade per tutte e 46 molecole di DNA, il DNA che non si avvolge a nulla mentre passa da un ottamero ad un’altro si chiama dna linker. Per compattare ancora di più questo nuovo aggrovigliamento e per farlo interviene l’istone H1. L’istoneH1siposizionanelpuntodiingressodeldnaalivellodelnucleosoma.quandopoi gli istoni H1 interagiscono tra di loro attirano i ﬁlamenti di DNA linker. Quando gli istoni H1 si avvicinano si formano i solenoidi che si intrecciano tra di loro ﬁno ad essere contenute nel nucleo. Le cellule nascono per la divisione di altre cellule grazie alla mitosi e meiosi Riguardo la cromatina si possono trovare: eucromatina:manifestal’alternanzadicondensazioe-decondensazioneduranteilciclo cellulare; attiva dal punto di vista trascrizionale (passaggi tra cromatina meno condensata e più condensata) eterocromatina:fortementeaddensatapertuttaladuratadelciclocellulare;inattivadal punto di vista trascrizionale. Il nucleolo non è un organulo perché non è avvolto da una membrana ma è una regione densa della cromatina dove si concentrano le istruzioni che servono a produrre l’RNA ribosomiale. Il nucleolo ha anche un'altra funzione: assembla le subunità dei ribosomi. Il ribosoma presenta due subunità: una maggiore e una minore, vengono assemblate nel nucleolo ma si uniscono insieme solo durante la sintesi proteica. 15 Le due subunità sono formate da RNA ribosomiale associate a proteine ribosomiali. Quando le subunità vengono costruite escono dal nucleo e rimangono spaiate e libere nel nucleo. Quando serviranno si assembleranno per la sintesi proteica. Vicinoal nucleoc’èun’altroorganulochesioriginadallamembrananucleareesterna,sichiama reticolo endoplasmatico. Il DNA è una molecola che ha un ruolo informativo e trasmette l'informazione in due modi: ReplicazionedelDNA–ilDNApuòessereriprodottoesattamenteperchéunodeidue ﬁlamenti fa da stampo. Espressionegenica–AlcunesequenzediDNApossonoesserecopiatenell’RNA (trascrizione) dopodiché la sequenza dell’RNA serve a determinare la catena polipeptidica (trad uzione) Reticoloendoplasmatico Il reticolo endoplasmatico è un organulo che si trova a ridosso del nucleo. E’ molto sviluppato e si presenta sotto forma di una rete. Il reticolo si suddivide in rugoso e liscio e sono molto diversi tra di loro. Ilrerpresentadellecisterneesonopresentiiribosomicheaderisconoallasuperﬁcie citoplasmatica delle cisterne. I ribosomi sono presenti in molte quantità, soprattutto nelle cellule che hanno bisogno di un elevato apporto proteico. I ribosomi del rer sintetizzano le glicoproteine e le proteine transmembrana inoltre, insieme al rel, sintetizzano le membrane cellulari. A di erenza dei ribosomi che sono attaccati al reticolo, quelli liberi nel citoplasma sintetizzano le proteine destinate a rimanere all’interno della cellula. La traduzione dell’mRNA inizia sempre nel citoplasma. Esiste una sequenza che indirizza il complesso ribosoma-mRNA a traslocare sul rer, questo procedimento prende il nome di importazione co-traduzionale. Se non c’è nessun segnale la traduzione continua nel citoplasma. La sequenza segnale è formata da 30 aminoacidi (6-12 sono idrofobici seguiti da amminoacidi carichi negativamente). La traduzione inizia nel citoplasma, grazie al segnale la traduzione si blocca e il complesso ribosoma-mRNA-srp si lega ad un recettore sulla membrana del rer. Sul ribosoma è presente un peptide segnale che viene riconosciuto e lega la particella srp. Questo legame permette l’adesione del complesso ad un traslocatore che forma un canale per farlo andare all’interno del rer. Ilrelhaunaformapiùtubulareenonpresentairibosomi.Lesuefunzionisonolegateal metabolismo dei lipidi e zuccheri: sintesi acidi grassi, fosfolipidi, steroidi, biosintesi delle membrane, metabolismo dei carboidrati e deposito di calcio detossiﬁcazione Apparatodelgolgi L’apparato del golgi è una porzione del citosol delimitata da membrana ed è costituito da una serie di sacchetti membranosi appiattiti che prendono il nome di cisterne. Queste cisterne sono delimitate da membrane e ogni membrana ha un doppio strato fosfolipidico inoltre le cisterne non sono direttamente comunicanti tra di loro ma sono disposte le une sulle altre a formare una pila. Nonostante l’indipendenza delle cisterne possono comunque comunicare tra di loro attraverso le vescicole di trasporto. Nelle pile golgiane ci sono tre versanti: 16 CisGolgichecorrispondeallapartepiuvicinaalnucleo TransGolgièlaparterivoltaversolamembrana Cisternemediantechesonositutateinmezzoalcisealtrans Il Cis prende il materiale dal reticolo endoplasmatico tramite microvescicole di trasporto e lo trasmette alle cisterne che lo elaborano. Dopodiché il materiale viene portato nel Trans sotto forma di proteine; il trans fa sì che le proteine e i lipidi lascino il Golgi sotto forma di vescicole di trasporto. Ogni cisterna contiene degli enzimi speciﬁci che permettono la maturazione delle proteine, la modiﬁca delle proteine prevede l’aggiunta di gruppi chimici particolari; gli enzimi modiﬁcano le glicoproteine rimuovendo o aggiungendo glucidi durante il loro transito dal cis al trans. A seconda delle modiﬁche, le proteine saranno poi indirizzate a vescicole particolari, alla membrana o ai lisosomi, questo processo di smistamento prende il nome di glicosilazione. La glicosilazione è una modiﬁcazione post traduzionale con l’aggiunta di zuccheri, ed è importante per poter far si che le proteine vengano prese dalle vescicole destinate a diventare lisosomi La glicosilazione può essere di due tipi: N-glicosilazione oppure O-glicosilazione e di eriscono per il meccanismo d’azione, per il compartimento cellulare in cui si svolgono e per il sito di attacco. N-glicosilazione O-glicosilazione Meccanismo Aggiuntadizucchericasuale Moltospeciﬁco,aggiungeuncarboidratoalla volta ha inizio nel reticolo endoplasmatico rugoso a carico di avviene nel Cis golgi Compar timento una catena peptidica ancora in corso di traduzione e prosegue nel golgi Catenaglucidicastandard zuccherilegatisull'atomodiossigeno Sito La glicosilazione n-linker inizia nel reticolo endoplasmatico rugoso, con l'aggiunta di un precursore. Questo precursore contiene 14 residui glucidici all'atomo di azoto di una asparagina, Inoltre, contiene glucosio, mannosio e n-Acetil glucosammina. L'enzima glicosiltransferasi attacca la catena oligosaccaridi alla catena laterale di un asparagina, a quel punto la proteina è modiﬁcata e ha la giusta conformazione, viene portata nel golgi per rimuovere i residui di mannosio e ne verranno aggiunti altri Continuerà a subire glicosilazione o-linker. La glicosilazione o-linker inizia nella cisterna cis e coinvolge tre aminoacidi. È un processo molto speciﬁco perché marca le proteine per la loro destinazione futura. Vengono legati degli zuccheri al livello del peptide, all'atomo di ossigeno delle catene laterali (serina, trenina o idrolissina). Riguardo al movimento delle proteine da CIS a trans furono fatte due teorie: Leproteineeilipidisonotrasportatidaunacisternaall'altradavescicole. Lecisternematuranotrasformandosiinunacisternasuccessiva. Le cisterne sono indipendenti tra di loro perché devono essere funzionalmente isolate, alcune cisterne trans riportano indietro eventuali enzimi andati in cisterne inopportune. Quando le micro vescicole di trasporto arrivano nel trans gemmano, quindi posso: costruireilisosomiprimari formarevescicoledisecrezione fondersiconlamembranaplasmatica essereindirizzatiadaltricompartimentiintracellulari. 17 Il tra co delle vescicole è guidato dagli elementi del citoscheletro, il quale è organizzato per mantenere le dimensioni della membrana. Lisosomi I lisosomi sono degli organuli rivestiti da una membrana che si originano nel Golgi. Essi sono la sede della digestione cellulare, trasformano le sostanze complesse che arrivano al loro interno in sostanze semplici. I lisosomi contengono degli enzimi che prendono il nome di idrolasi acide, le idrolasi sono capaci di scindere tutti i legami chimici covalenti introducendo una molecola di acqua. Quindi i lisosomi scompongono tutte le molecole che vanno al loro interno in unità più piccole le quali verranno utilizzate dalla cellula. Le idrolasi sono acidi perché sono capaci di funzionare solo se sono in ambiente acido, infatti il lisosoma ha un pH=5. C’è un sistema di trasporto degli ioni H+ all’interno del lisosoma, questo sistema è mediato da una pompa protonica, infatti la membrana del lisosoma è molto ricca di pompe protoniche per garantire il pH acido. I lisosomi però contengono oppure delle proteine. Le proteine destinate a loro sono marcate con il mannosio sei fosfato. Ai lisosomi possono arrivare anche delle sostanze esterne dalla cellula, come i batteri che devono essere demoliti. Il sesso? Mi possono essere di tre tipi.Di somme primari secondari e terziari: Ilisosomiprimariesonosferici,arrivanodalreticoloendoplasmaticoesiaccumulanonel golgi. I lisosomi primari si possono unire e formare i lisosomi secondari. Lisosomisecondarisiformanograzieallafusionedeiprimariconendosomiperformare gli endolisosomi. Gli endo lisosomi sono vacuoli che contengono materiale extracellulare penetrato nella cellula tramite endocitosi. Ilisosomiterziaricontengonoicorpiresiduicherestanoalprocessodidegradazione intracellulare sotto forma di resti non digeribili. Perossisomi Sono delle vescicole piccole, e al loro interno contengono degli enzimi particolari che si chiamano catalasi. I Perossisomi hanno lo scopo di detossiﬁcare H2O2, perossido di idrogeno, perché è un forte ossidante e sarebbe molto tossico. Il perossido viene degradato in acqua e ossigeno molecolare. Mitocondri I mitocondri sono degli organuli e hanno una doppia membrana come il nucleo: la membrana mitocondriale esterna e interna. La membrana mitocondriale interna è molto particolare perché si ripiega ﬁno a formare delle pieghe che prendono il nome di creste mitocondriali. Queste creste hanno lo scopo di aumentare la superﬁcie di membrana perché ci sono delle proteine particolari che prendono il nome di catena di trasporto degli elettroni, oppure catena respiratoria. Oltre alle proteine, sono presenti anche degli ioni calcio e anche l’atp sintetasi, l’atp è il luogo in cui verrà prodotto l’atp. Le creste hanno forme diverse ma in genere lamellare e sono messe perpendicolarmente. Tra le due membrane c’è lo spazio intermembrana, e all’interno troviamo la matrice mitocondriale. Hanno una forma ovoidale e misurano 1-6 um e il loro numero varia da 1000-30000 negli ovociti. 18 La loro forma varia anche in base al tessuto e alla funzione. La membrana esterna è simile al RE ma ha più lipidi ed è molto più permeabile rispetto a quella interna. I mitocondri si originano sia per fusione che per ﬁssione, durante la mitosi vengono divisi tra le cellule ﬁglie ma poi il numero viene ripristinato. Sono localizzati dove c’è più bisogno di energia e vengono disposti in modo parallelo rispetto ai microvilli. Il mDNA è formato da 5/10 molecole e sono presenti nelle aree nucleotidi della matrice. Il mDna è un cromosoma circolare superavvolto a doppia elica privo di istoni. Inoltre il DNA mitocondriale è in omoplasia. Il mitocondrio ha un genoma che sintetizza per 22. 4. I trasport d membran La membrana svolge moltissime funzioni ma la più importante è la funzione di trasporto che consente alla cellula un continuo scambio di materiale. Le cellule stabiliscono tra di loro relazioni altamente speciﬁche e molto regolate. I messaggi inviati dalle cellule vengono recepiti da dei sistemi recettoriali presenti sulla superﬁcie delle cellule. La molecola che porta il segnale chimico prende il nome di ligando e reagisce solo con il proprio recettore compatibile. Anche le proteine, lipidi e gas possono essere molecole di segnale. I recettori di membrana sono molecole, che dopo essersi associate a molecole segnale, innescano dei meccanismi di trasduzione del segnale. La membrana consente l’entrata e l’uscita di alcune molecole, questi passaggi sono permessi grazie alle proteine kepler. Il trasporto di membrana può essere di tre tipi: attivo, passivo e vescicolare. Trasportopassivo I processi di trasporto passivo non richiedono energia: le sostanze oltrepassano la membrana seguendo il gradiente di concentrazione. Il gradiente di concentrazione è rappresentato da due regioni, in una parte la sostanza sarà presente in maggiore quantità rispetto all’altra parte quindi non ci sarà una concentrazione equa. Il trasporto passivo può essere di tre tipi: di usione semplice, di usione facilitata e l’osmosi. La di usione è un processo di spostamento casuale verso uno stato di equilibrio. Questa di erenza dipende dalla natura chimica delle sostanze che devono essere trasportate per di usione tramite la membrana; se le sostanze hanno una natura simile alla membrana allora la attraversano direttamente (semplice). Altre sostanze che hanno una natura chimica diversa non riescono né ad entrare né ad uscire, quindi hanno bisogno di una facilitazione da parte delle proteine di membrana (intrinseca) che agiscono come trasportatori. Di usionesemplice Con la di usione semplice le molecole piccole passano attraverso la membrana con un gradiente di concentrazione: da dove è meno concentrato a dove è più concentrato. Ad attuare l’apertura della membrana possono essere dei ligandi che fanno passare le sostanze: il ligando si lega alla proteina transmembrana che si trasforma aprendo il doppio strato. Generalmente le molecole a passare sono idrofobiche e quanto più una molecola è liposolubile tanto più rapidamente si di onde attraverso il doppio strato. 19 Di usionefacilitata Anche la di usione facilitata avviene secondo gradiente di concentrazione ma da dove è maggiore a dove è minore. La di usione può avvenire mediante tre meccanismi: tramiteleproteinecanale,sonoproteineintegralicheformanocanalinellospessoredella membrana, attraverso i quali possono passare certe sostanze. tramiteproteineditrasporto(carrier),proteinecapacidilegarsiallesostanzeeaccelerare la di usione attraverso il doppio strato icanaliionicisonodelleproteinecheconsentonoilpassaggiodegliioniall’internodella membrana. i canali ionici sono speciﬁci per uno ione particolare. Hanno un poro idroﬁlico che lascia passare lo ione al centro della sua cavità. Osmosi L’acqua è polare se presa singolarmente ma presenta molti legami idrogeno con varie sostanze, quindi sarà comunque polare ma non tanto quanto la molecola vera. L’acqua entra nella cellula sia per di usione semplice che facilitata grazie alle proteine acquaporine che formano un canale per farla entrare. Trasportoattivo Il trasporto attivo va contro il gradiente di concentrazione quindi ha bisogno di energia. L’energia presa in considerazione è l’ATP. Negli eucarioti l’ATP viene prodotta dai mitocondri, dove l’energia chimica viene accumulata nel suo legame fosfato terminale. Il trasporto attivo è direzionale e sposta una sostanza o dentro o fuori dalla cellula, a seconda delle necessità. Esistono tre tipi di proteine impegnate nel trasporto attivo: uniporto, simporto e antiporto. I simporti e gli antiporti sono noti come trasportatori accoppiati perché trasferiscono due sostanze alla volta. Esistono due tipi di trasporto attivo: Iltrasportoattivoprimariochecomportal’idrolisidirettadiATP Iltrasportoattivosecondariononsiservedirettamentedell’ATPperchél’energiaderivada un gradiente di concentrazione ionica accumulato da un trasporto attivo primario. Nel trasporto primario l’ATP dà la spinta per spostare ioni speciﬁci contro il loro gradiente. In tutte le cellule animali è presente la pompa sodio-potassio che è una glicoproteina integrale di membrana: idrolizza una molecola di ATP ad ADP e uno ione fosfato libero. Utilizza l’energia ottenuta per portare dentro due ioni K ed esportare tre ioni Na. 20 La pompa è coinvolta prima nella fuoriuscita degli ioni sodio, poi si lega a due ioni potassio e li porta nella cellula. Il sodio porta una carica positiva e anche il potassio, se ne entrano due ioni K e ne escono tre, ioni Na signiﬁca che l’ambiente citoplasmatico rimarrà carico negativamente rispetto all’ambiente extracellulare. La pompa mantiene il potenziale di membrana: cioè la di erenza di potenziale ai due lati della membrana (un versante carico positivamente e uno negativo). La pompa è presente nelle cellule dove è necessario mantenere l’equilibrio osmotico a nché la cellula sia vitale (isotonica, ipotonica e ipertonica). L’eccesso di ioni richiama l’acqua e la pompa fa sì che entri ed esca la quantità adeguata di acqua. Se una cellula ha bisogno di acquisire una molecola più grande o un intero organismo ci sono i macrofagi che inglobano nel loro citoplasma l’organismo, ciò avviene grazie al trasporto vescicolare. Trasportovescicolare Le vescicole possono originarsi dalla membrana stessa o dall’organulo della cellula inglobata. Hanno una forma circolare e possono continuamente staccarsi dagli organuli e dirigersi verso la membrana e viceversa. Le vescicole possono contenere del materiale nel loro lume e questo materiale verrà poi riversato nel lume dell'organo bersaglio. La fusione avviene quando la vescicola raggiunge l'organo e si fonde con la membrana del bersaglio. La clatrina è una proteina a sei catene polipeptidiche, tre pesanti e tre leggere, e formano delle strutture chiamate triskelion; più triskelion formano strutture a canestro. Le strutture a canestro costringono la membrana a formare una struttura più sollevata; La clatrina ha dei recettori che interagiscono con le sostanze che devono essere trasportate. La prima fase consiste nella formazione della vescicola e il riconoscimento delle molecole da importare grazie ai recettori sulla membrana. La membrana si deforma ﬁno ad inglobare la vescicola rivestita da clatrina. Dopo la deformazione, la vescicola perde rivestimento con la clatrina. La clatrina viene riciclata e sarà poi usata con un'altra vescicola, sulla vescicola rimane il recettore per indicargli la sostanza a cui si deve legare. Il trasporto vescicolare può essere di due tipi: endocitosi oppure esocitosi Le macromolecole entrano nella cellula per endocitosi. Esistono tre tipi di endocitosi: pinocitosi, fagocitosi e l’endocitosi mediata da recettore ma in tutti e i tre casi la membrana si infossa, formando una tasca intorno al materiale presente nell’ambiente; poi la vescicola si stacca dalla membrana e migra all'interno con tutto il suo contenuto. Nellafagocitosipartedellamembranaingloba grosse particelle. Con la fagocitosi si inglobano sostanze solide Nellapinocitosisiformanodellevescicole,peròpiù piccole e il processo serve a portare nella cellula liquidi e sostanze in essi disciolte. 21 nell’endocitosimediatadarecettori,lemolecolepresentisullasuperﬁciedellacellula riconoscono materiali speciﬁci e ne innescano l’assunzione. L’esocitosi è il processo con cui la cellula secerne del materiale confezionato in vescicole, portando la membrana delle vescicole a fondersi con la membrana plasmatica. Questa fusione apre un varco verso l’esterno per la cellula: il contenuto della vescicola si riversa nell’ambiente e la membrana vescicolare viene inglobata nella membrana plasmatica Oltre alla clatrina ci sono anche altre proteine di rivestimento che indirizzano la vescicola: LaclatrinadaTransgolgiailisosomi(endocitosi) capIdagolgialRe(retrogrado) capIIdarealgolgi La gemmazione delle vescicole dal reticolo endoplasmatico rugoso e immediata da Cap II E poi ritornano al reticolo endoplasmatico. Grazie ad un trasporto anterogrado. Le vescicole arrivano al cis golgi e scaricano il materiale. Dal cis vengono riciclate al reticolo endoplasmatico rugoso mediante cap I. La destinazione delle vescicole è mediata dalle proteine di transmembrana: V-snare e T-snare. V-snare Si trova sulla membrana della vescicola e porta il carico invece la T-Snare è complementare alla V-snare ma sta sulla membrana della cellula bersaglio. Quando queste due proteine si incontrano, formano strutture a doppie catene e c'è una fusione tra le due membrane. L'attacco avviene per la formazione dei quattro eliche, che si spiralizzano preparando le membrane alla fusione. Nella fusione delle membrane le T-snare spingono l'acqua fuori per non ostacolare il processo. 5. Duplic ion de DNA Il DNA può essere replicato in modo conservativo o semi conservativo: conservativo–ladoppiaelicaoriginariaservedastampoperlanuovadoppiaelicama non contribuisce ad essa semiconservativa–ogniﬁlamenteservedastampoperunnuovoﬁlamento,allaﬁneledue molecole di DNA sono formate da un ﬁlamento nuovo e uno vecchio. Dispersiva–IframmentodellamolecoladiDNAoriginariaservonodastampoper assemblare due nuove molecole: ognuna con parti nuove e vecchie Alla ﬁne i biologi si convinsero che la replicazione è semiconservativa e avviene grazie a molti enzimi e proteine, inoltre può essere divisa in due parti. Ladoppiaelicasiseparaeidueﬁlamentifannodastampo Manmanocheinucleotidisiappaianoconilﬁlamentostampovengonouniti covalentemente attraverso legami fosfodiesterici I nucleotidi che formano il DNA sono desossiribonuclesiti monofosfato perché contengono un desossiribosio e un gruppo fosfato. I monomeri liberi che vengono uniti per formare un nuovo DNA hanno tre gruppi fosfato. Inizio La replicazione inizia con un grande complesso proteico formato da proteine diverse, incluso l'enzima DNA polimerasi, ogni cromosoma ha almeno una regione chiamata origine di replicazione (ori). 22 La DNA elicasi separa i due ﬁlamenti e le proteine leganti li tengono separati. Dopo la separazione dei due ﬁlamenti inizia la formazione, è l'allungamento del ﬁlamento nuovo. Allungamento L'allungamento comincia grazie ad un innesco chiamato Primer. Il primer è un corto ﬁlamento singolo di ed è complementare al DNA stampo; viene sintetizzato un nucleotide alla volta da un enzima chiamato primasi. Successivamente sarà la DNA polimerasi a continuare l'allungamento all'estremità 3’ e il primer, verrà degradato. I due ﬁlamenti sono antiparalleli, il ﬁlamento guida è orientato in modo tale che possa crescere con continuità all'estremità 3’ e si chiama ﬁlamento veloce. L'altro ﬁlamento, neosintetizzato, è orientato in modo tale che la sua estremità 3’ si allontani dalla forcella di separazione. Per la sintesi del ﬁlamento lento servono molti frammenti corti e discontinui di DNA che sono sintetizzati allo stesso modo del ﬁlamento veloce. I frammenti prendono il nome di frammenti di okazaki, ogni frammento richiede un proprio primer, sintetizzato da una primasi a di erenza del ﬁlamento veloce che ha bisogno di un solo primer. Terminazione L'enzima DNA di casi catalizza la formazione del legame per unire i frammenti e renderli un unico ﬁlamento continuo. Problemidireplicazione Le DNA polimerasi sono processi, cioè catalizzano la formazione di molti legami fosfodiesterici ogni volta che si legano al DNA. Il complesso DNA polimerasi-DNA è stabilizzato da una pinza scorrevole che è formata da molte subunità identiche. Durante la replicazione si possono scontrare due problemi: LostresstorsionalesihaquandoilDNAèsoggettoacontinuesollecitazionierischiadi attorcigliarsi su se stesso. La topoisomerasi 1 rimuove lo stress torsionale. L'accorciamentodeitelomeri–allaﬁnedeicromosomiecisonodellesequenzeripetute chiamate telomeri. Alla ﬁne della parte del primer che viene rimosso, c'è il rischio che queste sequenze non vengano duplicate. L'enzima telomerasi catalizza l'aggiunta di ogni sequenza persa. Nella replicazione si commettono un sacco di errori, ma ci sono dei meccanismi in grado di riparare i nucleotidi danneggiati e di correggere gli errori. proofreading–Correggeglierrorinonappenalapolimerasilicompie mismatchrepair–EsaminailDNAsubitodopocheèstatocompletatoecorreggeglierrori. riparazioneperescissione–Rimuovilepersoneanormali,formateacausadidannichimici e le rimpiazza. 23 6. Espression genic Le proteine sono i prodotti principali dell'espressione genica, un gene espresso sotto forma di proteine.Il DNA è il materiale ereditario e codiﬁca anche per i Polipeptidi. L'espressione genica è un procedimento composto da due fasi: trascrizione e traduzione. trascrizione– Il gene viene copiato in una sequenza complementare di ARNA. Traduzione– la sequenza della RA viene usata per creare una sequenza aminoacidica. Trascrizione La formazione di una sequenza di RNA, a partire dal DNA, richiede molti componenti: UnDNAstampo. QuattroribonucleositiTrifosfato(GTP,ATP,CTPeUTP) RNApolimerasi CondizioniappropriateperfarfunzionarelaRNApolimerasi. Dal DNA stampo si possono ottenere diversi tipi di RNA. Inizio La RNA Polimerasi si lega ad un promotore, cioè una speciale sequenza di DNA. I geni eucarioti hanno un promotore ciascuno, mentre nei procarioti e nei virus possono condividere lo stesso promotore. Il promotore dice all’RNA Polimerasi: Doveiniziarelatrascrizione Ilﬁlamentochedeveesseretrascritto. La trascrizione inizia in corrispondenza del sito di inizio. Gruppi di nucleotidi, che si trovavano a monte del sito, aiutano la polimerasi a legarsi, invece altre proteine aiutano a direzionare la polimerasi verso il promotore. Le proteine si chiamano fattore sigma nei procarioti e fattori di trascrizione negli eucarioti. Allungamento Dopo che l'RNA Polimerasi si è legata al promotore, inizia il processo di allungamento. L’RNA polimerasi srotola il DNA, è legge il ﬁlamento stampo da 3’ a 5’; l’RNA trascritto è antiparallelo al DNA stampo. inﬁne la RNA polimerasi usa i ribonucleosidi trifosfato come substrati Terminazione Come per i siti di inizio, ci sono delle sequenze di ribonucleotide che speciﬁcano la terminazione. 24 Traduzione Per convertire l'informazione contenuta nell’mRNA in proteine c'è bisogno del tRNA. Il tRNA deve leggere correttamente i codoni dell’mRNA, portare l’amminoacido corrispondente a ogni codone e consegnarlo al ribosoma. C’è un tRNA speciﬁco per ognuno dei 20 amminoacidi e ogni tRNA ha tre funzioni: IltRNAlegaunaminoacidospeciﬁco,ognitRNAsilegaadunenzimachegliattaccauno dei 20 aminoacidi (si forma un legame covalente all'estremità 3’ mentre anticodone e codone si legano con legami idrogeno). IltRNAinteragisceconiribosomi Il legame tra tRNA e il suo aminoacido è ottenuto grazie agli enzimi -aminoacil-tRNA-sintetasi- e si forma un legame ad alta energia grazie all’ATP Inizio La traduzione dell'mRNA inizia con un complesso di inizio. Questo complesso d'inizio consiste nel tRNA carico e nella subunità minore del ribosoma, entrambi legati all’mRNA. La subunità minore lega il cappuccio in 5’ dell'mRNA, poi scorre lungo l'mRNA ﬁnché non raggiunge il codone d'inizio AUG. L'anticodone UAG del tRNA, carico con metionina, lega il codone d'inizio per completare il complesso di inizio. Il primo amminoacido di ogni polipeptide, sarà una metionina. Dopo che il tRNA, carico con metionina, si è legato all’mRNA, la subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso. Queste componenti (mRNA, ribosomi…) vengono assemblati dalle proteine chiamate fattori di inizio. Allungamento Un tRNA carico che ha l'anticodone complementare al secondo codone dell'mRNA ora si lega al sito A, libero della subunità maggiore. La subunità maggiore catalizza due reazioni: RompeillegamefrailtRNAeilsuoaminoacidonelsitoP. Catalizzalaformazionedellegamepeptidicotral'aminoacidoequelloattaccatoaltRNA che si trova nel sito A. Si dice che la subunità maggiore possiede attività peptidil-transferasica. Dopo che il tRNA ha lasciato la metionina va verso il sito E, poi viene rilasciato dal ribosoma e ritorna nel citoplasma per essere ricaricato. Il secondo tRNA, che porta un dipeptide, va nel sito P quando il ribosoma si muove di un codone lungo l’mRNA da 5’ a 3’. Terminazione L'allungamento ﬁnisce quando uno dei codoni di stop entra nel sito A. I codoni di stop non corrispondono ad alcun aminoacido e non sono portati dal tRNA. 25 7. Cicl cellular Il ciclo vitale di un organismo, dalla nascita alla morte, è intimamente legato al ciclo cellulare. Negli organismi pluricellulari, la divisione cellulare ha un ruolo importante nella crescita e riparazione dei tessuti, così come nella riproduzione di tutti gli organismi. A nché ogni cellula possa dividersi, devono accadere quattro eventi distinti: cideveessereunsegnaleriproduttivo.Questosegnaledàinizioalladivisionecellularee può essere originato sia all'interno sia all'esterno della cellula; lareplicazione(oduplicazione)delDNA(ilmaterialegenetico)deveavvenireinmodo che le due nuove cellule abbiano un corredo genetico completo e identico; lacelluladevedistribuireinmanieraordinatailDNAreplicatoalleduecelluleﬁglie.Questo processo si chiama segregazione; devonoesseresintetizzatienzimieorganuliperlenuovecelluleenuovomaterialedeve essere aggiunto alla membrana plasmatica (e alla parete cellulare, in organismi che la possiedono), in modo da poter separare le due cellule attraverso un processo detto citodieresi. Divisionecellulareneiprocarioti Le cellule procariotiche sono fornite di un'unica molecola circolare di DNA, libera nel citoplasma. Questa molecola di DNA (deﬁnita a volte "cromosoma batterico"), notevolmente avvolta e ripiegata su se stessa, si trova associata alla membrana cellulare in corrispondenza di una piega della membrana stessa detta mesosoma. I procarioti si dividono per semplice scissione binaria (o ﬁssione binaria). All'inizio del processo, la molecola di DNA circolare, attaccata alla membrana plasmatica, si duplica, mentre la cellula si accresce. Successivamente, a partire dal mesosoma, si forma un setto trasverso, che divide la cellula madre in due cellule ﬁglie, ciascuna dotata di una molecola di DNA identica a quella della cellula madre. Questa modalità di riproduzione asessuata, rappresentata nella ﬁgura a lato, è semplice, veloce, e permette ai batteri una successione di generazioni estremamente rapida. Divisionecellulareneglieucarioti Come nei procarioti, la riproduzione cellulare degli euca-rioti prevede segnali riproduttivi, replicazione del DNA, segregazione e citodieresi. I dettagli, tuttavia, sono piuttosto di erenti. Segnaleriproduttivo:adi erenzadeiprocarioti,glieucariotinonsidividonoogniqualvolta le condizioni ambientali sono adeguate. Di fatto, molte cellule, che sono parte di un organismo pluricellulare e che sono diventate specializzate, si dividono raramente. In un organismo eucariotico, i segnali per la divisione cellulare sono generalmente non relativi all'ambiente della singola cellula, ma alla loro funzione nell'intero orga-nismo. Replicazione:sebbenelamaggiorpartedeiprocario-tiabbiauncromosomasingolo,gli eucarioti ne hanno generalmente molti (l'uomo ne ha 46). Di conseguenza il processo di replicazione e segregazione è molto più complicato negli eucarioti, rispetto ai procarioti. 26 Inoltre, negli eucarioti la replicazione del DNA è solitamente limitata a una porzione del periodo tra le due divisioni successive della cellula. Segregazione:neglieucarioti,icromosomiappenareplicatisonointimamenteassociati tra loro (di conseguenza vengono chiamati cromatidi fratelli), e un processo chiamato mitosi permette la loro segregazione nei due nuclei ﬁgli. Citodieresi:lacitodieresiprocedeinmanieradiversanellecellulevegetali(chehannouna parete cellulare) e nelle cellule animali (che non l'hanno). Le cellule prodotte dalla mitosi sono identiche alla cellula genitrice per quanto riguarda la quantità e il tipo di DNA che contengono. Il periodo che va da una divisione cellulare alla successiva è chiamato ciclo cellulare. Il ciclo cellulare può essere diviso in mitosi/citodieresi e interfase. Durante l'interfase, il nucleo della cellula è ben visibile e la cellula svolge le sue tipiche funzioni, inclusa la replicazione del DNA. Questa fase del ciclo cellulare inizia quando la citodieresi è completa e ﬁnisce quando la mitosi (M) ha inizio. La durata del ciclo cellulare varia in maniera consistente nei vari tipi di cellule. Nelle prime fasi embrionali il ciclo cellulare può durare appena 30 minuti, mentre in un uomo adulto le cellule che si replicano più rapidamente completano il loro ciclo in circa 24 ore. In generale, le cellule passano la maggior parte del loro tempo in interfase. L'interfase ha tre sottofasi, indicate come GI, S e G2. In un ciclo cellulare di 24 ore, le tre sottofasi durano tipicamente 11 ore (G1), 8 ore (S) e 4 ore (G2), con la rimanente ora utilizzata per la mitosi. FaseGI.DurantelafaseG1,ognicromosomaèunasingolamolecoladiDNA,non replicata, con proteine associate. Le di erenze di lunghezza della fase G1 sono le maggiori responsabili della diversa durata dei cicli cellulari di cellule diverse. Alcune cellule embrionali a divisione rapida ne fanno del tutto a meno, mentre altre cellule possono rimanere in Gl per settimane o anche anni. LatransizioneGI-S.AllatransizionetralefasiG1eS,la cellula si prepara alla replicazione del DNA e alla seguente divisione cellulare. FaseS.LareplicazionedelDNAavvienedurantelafaseS. Ogni cromosoma viene duplicato e di conseguenza è ora formato da due cromatidi fratelli (i prodotti della duplicazione del DNA). I cromatidi fratelli rimangono uniti tra loro ﬁno alla mitosi, quando segregano nelle due cellule ﬁglie. FaseG2.DurantelafaseG2,lacellulasipreparaperla mitosi - per esempio, sintetizzando e assemblando le strutture che sposteranno i cromatidi verso i poli opposti della cellula in divisione-. L'inizio, la terminazione, e gli eventi del ciclo cellulare sono regolati da segnali speciﬁci. Non tutte le cellule seguono questo ordine di procedere attraverso le varie fasi. Alcune cellule in fase G1 entrano in una fase di riposo detta GO. Tali cellule a volte rientrano in fase G1 e partecipano al resto del ciclo sotto certe condizioni particolari, come un segnale extracellulare; altre permangono in fase G0, come le cellule del muscolo cardiaco o quelle del cervello (neuroni). 27 Ilcontrollodelciclocellulare I segnali che controllano le fasi del ciclo cellulare agiscono per mezzo di una proteina chinasi. L'avanzamento del ciclo cellulare dipende dall'attività di chinasi-ciclina-dipendenti dette Cdk. L'ex chinasi sono enzimi che catalizzano il passaggio di un gruppo fosfato da una molecola di ATP una proteina che viene fosforilata. Le Cdk Controllano la transazione tra G1 ed S in molti organismi, incluso l'uomo. Questo punto di controllo nel ciclo cellulare e chiamato il punto di restrizione R. Le Cdk non sono attive da sole, ma devono essere attivate dal secondo tipo di proteina chiamata ciclina. Questo legame attiva la CDK, alterando la sua forma per esporre il suo sito attivo ai substrati. La clean ac catalizza la fosforilazione di una proteina chiamata Proteina retinoblastoma (RB). Per iniziare il ciclo cellulare, una data cellula deve rimuovere il blocco RB; ed è in questo punto che il complesso ciclina- Cdk entra in campo catalizzando la fosforilazione in molti punti della molecola RB. Se la ciclina non è presente, la Cdk non è attiva. Inoltre le cicline vengono sintetizzate soltanto in certi periodi del ciclo cellulare e una volta svolta la propria funzione si disgregano. Mitosi La mitosi è il processo tramite il quale il nucleo di una cellula eucariote si divide, dando origine a due nuclei ﬁgli, ciascuno dotato di una serie completa di cromosomi. Alla divisione del nucleo segue generalmente (ma non necessariamente) la divisione del citoplasma, indicata come citodieresi (detta anche citochinesi, o citocinesi). All'inizio della mitosi, i cromosomi, che durante l'interfase sono despiralizzati e appaiono come un ammasso di cromatina indi erenziata, si condensano e iniziano a presentarsi sotto forma di corpuscoli corti e tozzi. Dato che il DNA si è duplicato durante la fase S del ciclo cellulare, ogni cromosoma di una cellula che entra in mitosi è costituito da due ﬁlamenti di DNA identici, chiamati cromatidi fratelli; i cromatidi sono uniti in una regione chiamata centromero, mentre le estremità dei cromosomi sono indicate come telomeri. Pur essendo un processo continuo, la mitosi viene suddivisa in quattro fasi: profase, metafase, anafase, telofase. Profase:IlDNAsispiralizza,sicondensaecominciaad assumere l'aspetto di corpuscoli visibili al microscopio ottico. La membrana nucleare si dissolve e i nucleoli diventano poco visibili o scompaiono. Contemporaneamente, nel citoplasma, i due centrosomi (ognuno contenente una coppia di centrioli, duplicatisi durante la fase S) iniziano a migrare verso i due poli opposti della cellula, dando origine al 28 fuso mitotico, un insieme di ﬁbre costituite da microtubuli che attraversa tutta la cellula e collega le due coppie. Dai centrioli si dirama anche un insieme di corti microtubuli disposti a raggiera, che formano l'aster. Metafase:icromosomi,cheraggiungonoinquestafaseilmassimogradodi condensazione, si allineano sul piano equatoriale della cellula originando la piastra metafasica dopo aver aderito alle ﬁbre del fuso per mezzo dei cinetocori, strutture proteiche presenti nel centromero. Anafase:icentromerisidividonoindueeiduecromatidifratellidiognicromosomasi separano, migrando verso i poli opposti della cellula grazie all' accorciamento delle ﬁbre del fuso mitotico. Telofase:ilfusogradualmentescompare;icromatidi,ormaidivenutii"nuovi"cromosomi delle due cellule ﬁglie, gradualmente si despiralizzano, riassumendo la forma distesa tipica dell'interfase; attorno a essi si riforma la membrana nucleare e ricompare il nucleolo. Attenzione! Durante la fase G, ogni cromosoma è formato da una singola molecola di DNA, associata a proteine; nella fase S il DNA si replica: le due molecole rimangono unite e vengono indicate come cromatidi. I due cromatidi sono perfettamente identici e hanno lo stesso contenuto di informazioni; il cromosoma a ﬁlamento singolo presente nella cellula appena divisa e quindi perfettamente analogo al cromosoma formato da due cromatidi che si può osservare nella cellula in divisione. La citodieresi, cioè la divisione del citoplasma che segue quasi sempre la mitosi e porta alla formazione di due cellule ﬁglie, si svolge con modalità diverse nelle cellule animali e in quelle vegetali. Nel primo caso, all'equatore della cellula si forma un solco che diventa sempre più profondo ﬁno a dividere in due parti uguali la cellula madre. Nelle cellule vegetali, invece, in cui la rigidità della parete cellulare impedisce la formazione di strozzature, il citoplasma viene diviso da un diaframma, la piastra cellulare, che si origina al centro della cellula, dalla fusione di vescicole membranose originate dal Golgi, e si estende via via ﬁno a raggiungere la membrana. Riproduzioneasessuata Oltre a permettere l'accrescimento e il rinnovo del tessuti degli organismi pluricellulari, la mitosi è alla base dei meccanismi di riproduzione asessuata. Negli organismi a riproduzione asessuata (detta anche agamica, o vegetativa) la prole ha origine da un unico individuo, senza l'intervento e la fusione (fecondazione ne) di cellule specializzate per la riproduzione. Con la riproduzione asessuata, a meno dell'insorgenza di mutazioni spontanee, la prole risulta geneticamente identica alla madre. La riproduzione asessuata interessa sia organismi unicellulari che pluricellulari e può avvenire con diverse modalità, fra cui ricordiamo la scissione binaria, la gemmazione e la sporulazione. La scissione binaria si veriﬁca quando, dopo la mitosi, la cellula si divide semplicemente in due parti uguali. In questo modo si riproducono organismi unicellulari come il paramecio. La gemmazione, negli unicellulari, per esempio nel lievito (appartenente al regno dei Funghi), consiste in una mitosi seguita da una divisione ineguale del citoplasma. La nuova cellula, più piccola, è destinata ad accrescersi successivamente. Si parla di gemmazione anche per alcuni pluricellulari, come spugne (phylum dei poriferi) e meduse (phylum dei celenterati), in cui sul "genitore" si formano delle "protuberanze" che in seguito si staccano, dando origine a nuovi individui, identici a quello di partenza. Con sporulazione si intende la formazione di particolari cellule riproduttive, le spore, in seguito a mitosi. processo tipico dei funghi. Queste spore sono dotate di una spessa parete che permette 29 loro di resistere in condizioni ambientali avverse, per poi generare un nuovo individuo quando l'ambiente diventa favorevole. Riproduzionesessuata La riproduzione sessuata (o gamica o anﬁgonica) prevede la partecipazione di cellule specializzate per questa funzione, i gameti (o cellule germinali), prodotti generalmente da due individui di sesso diverso, canuno dei quali, con i propri cromosomi, contribuisce alla formazione del corredo genetico della progenie. La riproduzione ha luogo quando il gamete maschile si fonde con quello femminile; dalla fusione dei due gameti, detta fecondazione, ha origine una cellula, lo zigote, che rappresenta la prima cellula del nuovo organismo, da cui si formerà l'individuo adulto, attraverso una serie di divisioni mitotiche successive. Poiché la fusione dei gameti implica l'unione dei corredi cromosomici di origine materna e paterna, la riproduzione sessuata comporta il rimescolamento di materiale genetico diverso. Per questo gli individui ﬁgli sono diversi dai loro genitori e diversi tra loro. A di erenza della riproduzione asessuata, quella sessuata consente perciò di ottenere un aumento della variabilità genetica. Celluleaploidiediploidi Dato che lo zigote ha origine dalla fusione di due cellule, queste (i gameti) devono avere patrimonio genetico dimezzato rispetto a quello normale della specie. I gameti infatti si di erenziano dalle altre cellule dell'organismo, dette cellule somatiche, per il numero di cromosomi: lecellulesomatichesonodiploidi,cioèpossiedonounadoppiaseriedicromosomi:ogni cromosoma è presente in due copie che costituiscono una coppia di cromosomi omologhi, uno di origine paterna e uno di origine materna. I cromosomi omologhi sono cromosomi aventi la stessa forma, le stesse dimensioni e la stessa sequenza di geni. Il possesso di un numero diploide di cromosomi si indica con la sigla 2n; igametisonoaploidi,cioèpossiedonoun'unicaseriedicromosomi:contengonocioèun solo cromosoma di ogni coppia. Il possesso di un numero aploide di cromosomi si indica con la sigla n. I gameti contengono quindi un numero di cromosomi (n) pari alla metà di quello delle cellule somatiche (2n). Il meccanismo che permette la riduzione del numero di cromosomi è la meiosi che ha luogo in organi particolari, le gonadi. Negli animali le gonadi femminili sono le ovaie, quelle maschili i testicoli; nelle piante le gonadi femminili sono gli ovari, quelle maschili gli stami. Nella partenogenesi il nuovo individuo si origina dalla cellula uovo, che è aploide, quindi anche tutte le sue cellule saranno aploidi. La riproduzione sessuata avviene attraverso l'alternarsi della meiosi, che consente di produrre i gameti, e della fecondazione, durante la quale i gameti si uniscono originando il nuovo individuo. Ogni specie ha un numero di cromosomi caratteristico; nelle specie a riproduzione sessuata tale numero è mantenuto tramite l'alternarsi di meiosi e fecondazione. Nei diversi organismi la meiosi e la fecondazione avvengono in momenti diversi del ciclo vitale, così è possibile distinguere una generazione aploide e una generazione diploide. Negli animali la meiosi produce direttamente i gameti, quindi la generazione aploide è costituita esclusivamente da queste cellule. 30 Alcuni funghi e alghe, viceversa, rimangono aploidi per gran parte della loro vita: si accrescono per mitosi e producono le cellule riproduttive tramite mitosi, quando queste si fondono si forma uno zigote diploide che subito va incontro a meiosi, ripristinando lo stato aploide. Nelle piante, nelle alghe e in alcuni funghi sono presenti cicli vitali molto complessi, che comprendono una generazione aploide e una diploide, entrambe costituite da organismi pluricellulari. La partenogenesi è un tipo di riproduzione che richiede la formazione dei gameti ma non la loro fusione. In questo caso il nuovo individuo ha origine da una cellula uovo non fecondata, avviato da stimoli meccanici e ﬁsici, anziché dall'ingresso nell'uovo dello spermatozoo. Questo processo è tipico di diversi invertebrati (i fuchi delle api, per esempio, sono maschi prodotti per partenogenesi) ma si veriﬁca anche in alcuni sauri (rettili). Meiosi Nelle gonadi sono contenute cellule specializzate diploidi (2n), chiamate gametociti, che vanno incontro alla meiosi, dando origine ai gameti aploidi (n). Il processo consiste in due divisioni cellulari successive che, a partire da una cellula diploide, ne producono quattro aploidi; le due divisioni (meiosi II) sono simili a due mitosi, ma solo la prima è preceduta dalla replicazione del DNA. Come la mitosi, ogni divisione è suddivisa in quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase. ProfaseI:lacromatinasicondensa,eicromosomidiventanocorpuscolidistinti,siforma l'apparato del fuso e scompaiono la membrana nucleare e i nucleoli. I due cromosomi omologhi di ogni coppia si avvicinano e si appaiano; ogni coppia di omologhi appaiati risulta formata da quattro cromatidi ed è perciò chiamata tetrade (o sinapsi). Talvolta, tra i due omologhi di una coppia si ha il fenomeno del crossing-over (§ 2.6.3). MetafaseI:letetradisiallineanosulpianoequatorialedellacellulaeognicoppiadi cromosomi omologhi si attacca a una ﬁbra del fuso. AnafaseI:iduecromosomidiognicoppiasiseparanoesimuovonoversoiduepoli opposti della cellula grazie all'accorciamento delle ﬁbre del fuso. A questo punto, ognuno dei due è ancora formato da due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero. TelofaseI:lacelluladipartenzasidivideinduecelluleﬁglie,ciascunacontenenteun numero aploide di cromosomi. Tra la prima e la seconda divisione meiotica può esserci un breve periodo di riposo (interchinesi), durante il quale i cromosomi si despiralizzano parzialmente, oppure la meiosi II può seguire immediatamente la meiosi l. Ognuna delle due cellule ﬁglie va quindi incontro alla meiosi Il, molto simile a una normale mitosi. ProfaseII:icentriolimigranoaipolioppostidellacellulaesiriformal'apparatodelfuso. MetafaseII:icromosomisiallineanosulpianoequatorialedellacellula. AnafaseII:icromatidifratellidiognicromosomasiseparanoesimuovonoversoidue poli opposti della cellula, diventando i nuovi cromosomi delle cellule ﬁglie. TelofaseII:siformanoduenucleiesihalacitodieresiconlaformazionediduecellule ﬁglie. La prima divisione meiotica è di tipo riduzionale (cioè accompagnata dal dimezzamento del numero dei cromosomi), mentre la seconda è di tipo equazionale (cioè non si ha alcuna variazione del numero cromosomico). 31 La profase l è un processo complesso La profase della prima divisione meiotica è un processo lungo e complicato; può durare anche diversi giorni e comunque occupa circa il 90% del tempo richiesto per l'intera meiosi. Viene suddivisa in 5 stadi: leptotene,duranteilqualeilmaterialegeneticosicondensa; zigotene,incuiicromosomiomologhisiappaianoaformareletetradi;pachitene,incui avviene il crossing-over; diplotene,incuiicromosomiinizianoasepararsi; diacinesi,incuilamembrananucleareeilnucleolosidissolvono. IlCrossing-over Durante la profase della meiosi I, i cromatidi di due cromosomi omologhi possono subire il crossing-over, cioè rompersi in punti esattamente corrispondenti, scambiandosi dei segmenti. Il punto di scambio è detto chiasma. Lo scambio non comporta né perdita, né guadagno di materiale genetico, ma solo uno scambio reciproco di segmenti corrispondenti. Il punto lungo i cromosomi omologhi in cui avviene lo scambio è casuale. Si noti che il crossing-over avviene tra due cromatidi non fratelli di una coppia di omologhi e non tra i cromatidi fratelli dello stesso cromosoma. I cromatidi della tetrade che partecipano allo scambio di segmenti corrispondenti, sono detti ricombinanti, quelli che non si ricombinano sono detti parentali. Alcune osservazioni sulla meiosi e sul crossing-over In sintesi, la meiosi porta a: produzionedeigametinecessariperlariproduzionesessuata; dimezzamentodelnumerodeicromosomineigameti(da2nan); riassortimentotracromosomidioriginepaternaematernaperprodurrenuove combinazioni. Il crossing-over: permetteilrimescolamentotrapartidicromosoma(ricombinazione)equindilacomparsa di nuove combinazioni tra alleli di origine materna e paterna; rendepossibilelaseparazionedegliallelidigenilocalizzatisullostessocromosoma(geni associati o concatenati), aumentando ulteriormente il numero di possibili combinazioni di alleli; èunevento"casuale":laprobabilitàchesiveriﬁchitraduegenipostisullostesso cromosoma dipende solo dalla loro distanza reciproca ed è direttamente correlata con la frequenza con cui nella progenie si trovano cromosomi ricombinanti (frequenza di ricombinazione). La frequenza di ricombinazione fra due caratteri può quindi essere utilizzata come unità di misura della distanza fra i geni; in questo modo è possibile comprendere l'ordine di allineamento dei geni sul cromosoma e costruire una mappa cromosomica. Gametogenesi Il processo di formazione dei gameti è detto gametogenesi e avviene nelle gonadi. Negli animali i gameti maschili sono spermatozoi, quelli femminili le cellule uovo. La gametogenesi maschile è detta spermatogenesi, mentre quella femminile è detta ovogenesi. 32 Ovogenesi Nelle gonadi femminili gli ovogoni si di erenziano in ovociti primari che vanno incontro alla prima divisione meiotica con produzione di due cellule aploidi di dimensioni diverse: un ovocita secondario e una piccola cellula nota come globulo polare. Mentre quest'ultimo può andare incontro a una seconda divisione formando due nuovi globuli polari, oppure degenerare e morire, l’ovocita secondario se si veriﬁca la fecondazione, va incontro alla seconda divisione meiotica, producendo una cellula uovo e un altro piccolo globulo polare. Spermatogenesi Nelle gonadi maschili gli spermatogoni (2n) si di erenziano in spermatociti primari che vanno quindi incontro alla prima divisione meiotica, originando quindi cellule aploidi di uguale dimensione, note come spermatociti secondari. Questi vanno incontro alla seconda divisione meiotica producendo cellule aploidi, gli spermatidi, che matureranno in spermatozoi. 8.Embriologi L’embriologia è la disciplina che studia i processi attraverso i quali dalla cellula uovo fecondata (zigote). In seguito a una serie di successive divisioni cellulari dotate di un programma di sviluppo ben deﬁnito ha origine un nuovo individuo formato da tessuti e organi diversi. Con embriogenesi si intende la formazione dell'embrione, cioè l'organismo nella fase precedente la nascita. Segmentazioneeformazionedellablastula La prima fase dello sviluppo embrionale, detta segmentazione, consiste in una serie di rapide divisioni mitotiche che, a partire dallo zigote, determinano un aumento del numero di cellule, senza un corrispondente incremento complessivo di dimensioni. La segmentazione porta perciò alla formazione di cellule (blastomeri) progressivamente più piccole e caratterizzate da un rapporto crescente tra il volume nucleare e quello citoplasmatico. Col procedere delle divisioni, si forma una struttura sferica piena, nota come morula; successivamente le cellule si dispongono in modo da formare una sfera cava, la blastula, all'interno della quale compare una cavità centrale detta blastocele. La cavità è ripiena di un liquido ed è presente una massa di piccole cellule chiamate nodo embrionale, da cui si originerà poi l’embrione Gastrulazione Completata la segmentazione ha inizio la gastrulazione, processo che permette il di erenziamento dei foglietti embrionali (o foglietti germinativi). La gastrulazione inizia con la formazione di una piccola introﬂessione sulla superﬁcie della blastula; il solco si estende lateralmente e verso il basso ﬁno alla formazione di una gastrula a due strati cellulari, uno esterno detto ectoderma e uno interno noto come endoderma. A questo stadio, la nuova cavità formatasi è detta archenteron e la sua apertura blastoporo. 33 Negli animali protostomi (fra cui anellidi, molluschi e artropodi) il blastoporo corrisponde a quella che sarà la regione della bocca, mentre negli animali deuterostomi (echinodermi e cordati) corrisponde alla regione anale. In tutti gli animali (tranne i poriferi e i celenterati) l'evoluzione della gastrula prosegue con la formazione tra l'ectoderma e l'endoderma di un terzo foglietto embrionale, il mesoderma, che prende Origine per lo più dall'endoderma. Questi tre foglietti embrionali sono i responsabili dello sviluppo dei diversi tessuti, organi e sistemi dell'organismo ad ulto. Alla gastrulazione segue infatti l'organo genesi, cioè la serie di fenomeni che porta la formazione degli organi presenti solo come semplice abbozzi nella gastrula: Ectoderma epidermide e annessi cutanei smalto dei denti rivestimento della cavità boccale sistema nervoso scheletro Mesoderma muscoli apparato circolatorio apparato escretore mesenteri e peritoneo apparato urinario rivestimento sistema digerente Endoderma rivestimento apparato respiratorio fegato e pancreas rivestimento della vescica e uretra Neurulazione Al termine della gastrulazione ha luogo il processo della neurulazione, nel corso del quale da speciﬁche regioni dei foglietti embrionali inizia a deﬁnirsi un rudimentale sistema nervoso. Sotto la regione dorsale dell'ectoderma, si forma un cordone di cellule mesodermiche che prende il nome di notocorda. La noto. corda stimola l'ectoderma sovrastante a introﬂettersi e a formare un solco lungo la superﬁcie dorsale dell'embrione. I bordi di questo solco, detti pieghe neurali, si avvicinano progressivamente ﬁno a fondersi, formando un tubo chiuso, chiamato tubo neurale, che darà origine al sistema nervoso centrale, cioè al cer. vello e al midollo spinale (§ 8.1.3). Le cellule all'apice di ogni piega neurale sono chiamate cellule della cresta neurale; durante lo sviluppo queste cellule migrano lateralmente dando origine a molti componenti del sistema nervoso periferico, tra cui i gangli sensoriali e le cellule di Schwann. a 3 giorni dalla fecondazione l'embrione umano si trova nello stadio di morula; a 6 giorni, nello stadio di blastula (o blastocisti), l'embrione inizia l'annidamento nella parete uterina; a due settimane inizia la gastrulazione; a 3 settimane circa il cuore inizia a battere; a 3,5 settimane si forma il tubo neurale. Contemporaneamente alla formazione del tubo neurale, dal mesoderma si formano i somiti, gruppi di cellule che si dispongono ai lati del tubo neurale, e da cui hanno origine, via via, le vertebre, i muscoli e le altre strutture che formano l'asse corporeo 34 9. Bioenergetic Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati da un metabolismo che corrisponde ad un insieme di reazioni che hanno lo scopo di demolire le molecole complesse in molecole semplici, ma allo stesso tempo può fare anche l’attività inversa. Il metabolismo infatti si suddivide in anabolismo (che formano le molecole organiche complesse) e catabolismo (che demolisce le molecole grandi e produce energia). Gli organismi usano l’energia luminosa e chimica, gli autotroﬁ, producono energia grazie alla luce solare. Gli eterotroﬁ prendono energia da composti chimici e tutti gli organismi trasformano l’energia assunta in ATP. L’ATP (Adenosina trifosfato), ha tre gruppi fosfato e l’adenosina si riferisce al nucleoside che ha come base l’adenina e come zucchero il ribosio. I tre gruppi fosfato sono legati da un legame ad alta energia, nel momento in cui si spezzano e si rilascia l’adenosina insieme anche una grande quantità di energia. L’energia rilasciata verrà utilizzata nelle reazioni endoergoniche, come ad esempio il catabolismo. L’energia rilasciata si ha grazie all’idrolisi di ATP sotto forma di ADP + Pi. Le reazioni metaboliche sono reazioni di ossidoriduzione catalizzate da enzimi che richiedono coenzimi. Le redox sono caratterizzate da specie chimiche che si riducono e altre che si ossidano. I coenzimi sono delle molecole grandi che servono per rendere più e cienti gli enzimi nella loro funzione. I cofattori invece possono essere anche piccole molecole organiche che però hanno la stessa funzione. I coenzimi più importanti sono NAD e FAD. Il NAD è l’acronimo di nicotinammide-adenin-dinucleotide, mentre il FAD sta per ﬂavin-adenin-dinucleotide. I coenzimi partecipando alle redox e sono soggetti a ossidazione e riduzione. Il Nad con un + in apice riguarda la forma ossidata, cioè che non ha energia. Se il Nad acquista elettroni si presenta sotto forma di Nadh. Il FAD rimane con questa scrittura quando è ossidato, se invece viene ridotto si chiama FADH2. Sia il NAD che il FAD sono derivati vitaminici; il NAD deriva dalla vitamina PP (detta anche vitamina B3 o niacina) il Fad deriva dalla vitamina B2. Le vitamine sono sostanze organiche che l’organismo umano n

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