Biologia Applicata - Appunti PDF

***Biologia Applicata*** **[Cap 1. La biologia è la scienza della vita]** L'evoluzione è il processo di formazione delle forme viventi a partire da organismi più semplici; tale processo ebbe inizio circa 3,5 miliardi di anni fa, con la comparsa dei primi organismi procarioti. In particolare, nel p...

***Biologia Applicata*** **[Cap 1. La biologia è la scienza della vita]** L'evoluzione è il processo di formazione delle forme viventi a partire da organismi più semplici; tale processo ebbe inizio circa 3,5 miliardi di anni fa, con la comparsa dei primi organismi procarioti. In particolare, nel processo di evoluzione si inquadra il processo di speciazione, ossia di formazione di nuove specie, che è in continuo svolgimento. L'idea che risultò dominante fino alla seconda metà del XVIII secolo, fu quella della fissità delle specie, cioè della loro immutabilità, e della loro formazione per intervento divino (teoria che prende il nome di creazionismo). Tale idea fu, in particolare, codificata dal naturalista svedese Carlo Linneo. Il naturalista ebbe il merito di creare un valido sistema di classificazione tassonomica dei viventi, ma le sue idee creazioniste, che trovarono in breve tempo larga diffusione, determinarono una resistenza della comunità scientifica alle ipotesi evoluzioniste. [La teoria dell'evoluzione di Lamarck] Una teoria dell'evoluzione che teneva conto delle nuove scoperte sull'età della Terra fu quella avanzata dal naturalista francese Jean-Baptiste de Lamarck. Questi, nella sua opera Philosophie zoologique, pubblicata nel 1809, ne espose per la prima volta i principi fondamentali, che si possono riassumere in due concetti: "l'uso e il disuso delle parti" e "l'ereditarietà dei caratteri acquisiti". Il naturalista riteneva che alcune parti del corpo di un organismo, se non venivano utilizzate frequentemente, finivano con l'atrofizzarsi ("disuso"), mentre quelle più spesso usate si sviluppano in modo particolare ("uso"). Tali modificazioni costituivano "caratteri acquisiti" che potevano venire trasmessi ai figli ("ereditarietà") e, in tal modo, determinare una modificazione delle caratteristiche della specie. In base a questa teoria, ad esempio, il collo delle giraffe, inizialmente corto, avrebbe potuto essersi sviluppato progressivamente in modo da raggiungere le foglie degli alberi più alti. [Charles Darwin e la teoria dell'evoluzione] La Teoria dell'Evoluzione di Charles Darwin è un pilastro fondamentale della biologia moderna. Sostanzialmente, questa teoria afferma che tutte le forme di vita sulla Terra si sono sviluppate gradualmente da antenati comuni attraverso un processo di modificazione delle specie. L'elemento chiave di questa teoria è la selezione naturale: Darwin sosteneva che le specie con caratteristiche migliori adattate all'ambiente circostante hanno maggiori probabilità di sopravvivenza e di lasciare discendenza. Nel corso del tempo, questo processo di selezione naturale conduce a cambiamenti evolutivi nelle popolazioni, dando origine a nuove specie. La teoria dell'evoluzione attraverso la selezione naturale, presentata nel suo celebre libro "L'origine delle specie" nel 1859 rappresenta una svolta epocale. L'autore propose che le specie si evolvono attraverso un processo di **selezione naturale**, in cui le caratteristiche migliori adattate all'ambiente hanno maggiori probabilità di sopravvivenza e di trasmettere i loro tratti alle generazioni successive. Questo concetto rivoluzionario spiega il motivo per cui alcune specie sviluppano caratteristiche specifiche e l'esistenza della diversità biologica in natura. La teoria dell'evoluzione di Darwin ha una vasta portata e non si applica solo alla biologia, ma ha influenzato profondamente la nostra comprensione della storia della vita sulla Terra e, come vedremo, ha aperto nuove prospettive anche nell'ambito della psicologia umana. **[Cap 2. La chimica della vita]** **Caratteristiche Fondamentali degli Atomi e delle Molecole** Gli atomi sono le unità fondamentali della materia e sono composti da particelle subatomiche: protoni (carica positiva), neutroni (senza carica) ed elettroni (carica negativa). Le molecole si formano quando due o più atomi si legano chimicamente tra loro. Gli atomi si legano formando legami covalenti (dove gli atomi condividono elettroni) o ionici (dove gli elettroni vengono trasferiti tra gli atomi). La chimica della vita si basa principalmente su carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo, che formano la struttura di tutte le molecole biologiche. **Gli Atomi di Carbonio e le Molecole Organiche** Il carbonio è l\'elemento fondamentale per la vita, perché è in grado di formare legami covalenti stabili con altri atomi di carbonio e con atomi di altri elementi, creando catene o anelli di atomi che possono essere la base di molecole complesse. Questo è il motivo per cui il carbonio è al centro delle molecole organiche. Le molecole organiche includono carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. **I Carboidrati** I carboidrati sono molecole formate da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno, con la formula generale (CH₂O)n. I carboidrati sono una fonte principale di energia per gli organismi e sono anche utilizzati per la struttura cellulare. *Monosaccaridi*: sono i carboidrati più semplici (es. glucosio, fruttosio). *Disaccaridi*: formati dalla combinazione di due monosaccaridi (es. saccarosio e lattosio). *Polisaccaridi*: grandi molecole complesse formate da molti monosaccaridi, come amido (energia nelle piante), glicogeno (energia negli animali) e cellulosa (struttura nelle piante). **I Lipidi** I lipidi sono molecole che sono principalmente formate da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono solubili in solventi non polari e svolgono diverse funzioni, come immagazzinare energia, costituire le membrane cellulari e agire come segnali chimici. Trigliceridi: sono la principale forma di immagazzinamento dell\'energia nei tessuti animali (formati da un glicerolo e tre acidi grassi). Fosfolipidi: formano le membrane cellulari e sono composti da una testa idrofila (che ama l\'acqua) e due code idrofobe (che respingono l\'acqua). Steroli: come il colesterolo, che è importante per la stabilità della membrana cellulare e come precursore di ormoni steroidei. **Le Proteine** Le proteine sono macromolecole composte da amminoacidi legati da legami peptidici. Gli amminoacidi contengono un gruppo amminico (-NH₂) e un gruppo carbossilico (-COOH) e si differenziano per la loro catena laterale (R), che determina le proprietà dell\'amminoacido. Le proteine hanno diverse funzioni biologiche: Enzimi: catalizzano le reazioni chimiche nel corpo. Strutturali: come il collagene, che fornisce supporto strutturale. Trasporto: come l\'emoglobina, che trasporta l\'ossigeno nel sangue. Difesa: come gli anticorpi, che proteggono l\'organismo da patogeni. Le proteine possono avere quattro livelli di struttura: 1\. Struttura primaria: sequenza lineare di amminoacidi. 2\. Struttura secondaria: motivi regolari come la helix alfa e la foglia beta. 3\. Struttura terziaria: la forma tridimensionale della proteina, determinata dalle interazioni tra i gruppi laterali. 4\. Struttura quaternaria: l\'assemblaggio di più catene polipeptidiche (subunità). **Gli Acidi Nucleici** Gli acidi nucleici sono molecole che immagazzinano e trasmettono informazioni genetiche. Ci sono due tipi principali: DNA (Acido Desossiribonucleico): contiene le informazioni genetiche necessarie per la costruzione e il funzionamento degli organismi viventi. È formato da due catene di nucleotidi che si avvolgono a formare una doppia elica. Ogni nucleotide è composto da uno zucchero (deossiribosio), un gruppo fosfato e una base azotata (adenina, timina, citosina, guanina). RNA (Acido Ribonucleico): è coinvolto nella sintesi proteica e in altre funzioni cellulari. L\'RNA è simile al DNA, ma contiene ribosio invece di deossiribosio e la uracile al posto della timina. **Identificazione delle Molecole Biologiche** Per identificare le molecole biologiche, si utilizzano tecniche come: 1\. Spettroscopia: per analizzare le proprietà chimiche delle molecole. 2\. Reazioni chimiche specifiche: ad esempio, il test di Benedict per i carboidrati riducenti, o il test di Biuret per le proteine. 3\. Elettroforesi: per separare le molecole biologiche, come le proteine o gli acidi nucleici, in base alle loro dimensioni o carica. Le molecole biologiche, come i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici, sono fondamentali per la vita. Esse sono costituite da atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo e interagiscono in modi complessi per mantenere la vita. Il carbonio, in particolare, è al centro di queste molecole, grazie alla sua capacità unica di formare legami stabili e complessi. La comprensione di queste molecole e delle loro funzioni è cruciale per studiare i processi biologici e per applicazioni in biotecnologia, medicina e altre scienze della vita. **[Cap 3. Caratteristiche fondamentali dell\'organizzazione cellulare]** L\'organizzazione cellulare è alla base della vita biologica e si articola in numerosi livelli di complessità. Le cellule, che costituiscono tutti gli organismi viventi, si dividono in procariotiche ed eucariotiche, e il loro studio ha rivoluzionato la biologia. Le cellule non sono solo unità strutturali, ma anche funzionali, e comprendere la loro struttura è cruciale per comprendere il funzionamento degli organismi. ### **1. Importanza della Teoria Cellulare** La **Teoria Cellulare** è uno dei concetti fondamentali della biologia moderna, che ha fornito la base per comprendere la struttura e la funzione degli organismi viventi. Formulata nel XIX secolo da scienziati come **Matthias Schleiden**, **Theodor Schwann**, e **Rudolf Virchow**, la teoria cellulare afferma che: 1. **Tutti gli organismi viventi** sono costituiti da una o più cellule. 2. **La cellula è l\'unità fondamentale** della struttura e della funzione biologica. 3. **Tutte le funzioni vitali** avvengono all\'interno della cellula. 4. **Le cellule si originano da altre cellule preesistenti**, come postulato da Virchow. La teoria cellulare ha avuto un impatto rivoluzionario, unendo la biologia vegetale, animale e microbiologica in un\'unica visione coerente. Ha cambiato il modo in cui pensiamo alle malattie, poiché molte malattie sono dovute a malfunzionamenti a livello cellulare. ### **2. Modalità di Studio della Struttura Cellulare** Il miglioramento delle tecniche di osservazione ha permesso di esplorare la struttura cellulare in modo molto più dettagliato. I principali metodi di studio includono: #### **Microscopia Ottica** - **Funzione**: Utilizza lenti ottiche per ingrandire l\'immagine di una cellula. È particolarmente utile per visualizzare la morfologia e le principali strutture cellulari, come il **nucleo**, i **mitocondri** e la **membrana plasmatica**. - **Tecniche speciali**: Colorazioni specifiche (ad esempio, **ematossilina-eosina**, **cristallo-violetto**) per evidenziare particolari strutture. #### **Microscopia Elettronica** - **Funzione**: Utilizza un fascio di elettroni anziché la luce, permettendo ingrandimenti molto più elevati, fino a livelli molecolari. - **Microscopia elettronica a trasmissione (TEM)**: Permette di visualizzare i dettagli interni degli organelli. - **Microscopia elettronica a scansione (SEM)**: Fornisce immagini in 3D della superficie cellulare. - **Risoluzione**: Con una risoluzione di circa 1-2 nm, consente di osservare i dettagli del citoscheletro, delle membrane cellulari, dei mitocondri e dei ribosomi. #### **Tecniche Molecolari** - **Immunofluorescenza**: Utilizza anticorpi marcati con coloranti fluorescenti per visualizzare proteine specifiche dentro le cellule. - **Ibrida in situ**: Tecnica che permette di localizzare specifici acidi nucleici (DNA o RNA) in una cellula, identificando, ad esempio, l\'espressione di determinati geni. ### **3. Differenze e Analoghe tra Cellule Procariotiche ed Eucariotiche** #### **Cellule Procariotiche** 1. **Struttura**: - **Semplici**: Non hanno un nucleo vero e proprio, ma un **nucleoide** che contiene il DNA. - **Dimensioni**: Generalmente piccole, da 1 a 10 micrometri. - **Organelli**: Mancano di organelli membranosi, ma possono avere **ribosomi**, **membrane plasmatiche**, **pareti cellulari** (in batteri e archeobatteri), e strutture come **flagelli** e **pili**. - **Genoma**: Composto da un unico filamento circolare di **DNA**. 2. **Esempi**: Batteri, archeobatteri. #### **Cellule Eucariotiche** 1. **Struttura**: - **Complesse**: Possiedono un **nucleo vero**, delimitato dalla **membrana nucleare**, che separa il materiale genetico dal citoplasma. - **Dimensioni**: Generalmente grandi, tra 10 e 100 micrometri. - **Organelli**: Hanno numerosi organelli membranosi, come **mitocondri**, **reticolo endoplasmatico (RE)**, **apparato di Golgi**, **lisosomi,** e **cloroplasti** (nelle cellule vegetali). - **Genoma**: Composto da **DNA lineare** organizzato in **cromosomi**. 2. **Esempi**: Cellule animali, vegetali, fungine, protisti. **Analoghe:** - Entrambe le cellule hanno una **membrana plasmatica**, **ribosomi**, **materiale genetico** (DNA), e un **sistema di sintesi proteica**. ### **4. Struttura e Funzione del Nucleo e degli Organi Cellulari Membranosi** #### **Il Nucleo** 1. **Struttura**: - **Membrana nucleare**: Due doppie membrane che separano il **nucleoplasma** dal citoplasma, contenente **pori nucleari** per il passaggio di molecole. - **Nucleolo**: Regione all\'interno del nucleo che produce i **ribosomi**. - **Cromatina**: È il materiale genetico (DNA) avvolto attorno a proteine istoniche. Durante la divisione cellulare, la cromatina si condensa formando **cromosomi**. 2. **Funzione**: - Il **nucleo** è il centro di controllo della cellula, responsabile della **sintesi di RNA** e **proteine** necessarie per il funzionamento della cellula. - Contiene il materiale genetico (DNA) che dirige la **replicazione** e la **trascrizione** delle informazioni genetiche. #### **Organelle Membranosi** 1. **Mitocondri**: - **Struttura**: Organelli con doppia membrana. La membrana interna è piegata in **creste**, aumentando la superficie per la sintesi di ATP. - **Funzione**: Sintesi di **ATP** tramite la **respirazione cellulare**. Sono anche coinvolti nella regolazione del **metabolismo cellulare** e nel controllo della **morte cellulare programmata** (apoptosi). 2. **Reticolo Endoplasmatico (RE)**: - **RE Ruvido**: Ha **ribosomi** sulla superficie ed è coinvolto nella sintesi e modificazione delle **proteine**. - **RE Liscio**: Senza ribosomi, è coinvolto nella sintesi dei **lipidi** e nel **metabolismo dei carboidrati**. 3. **Apparato di Golgi**: - **Struttura**: Un sistema di sacchetti appiattiti e vescicole. - **Funzione**: Modifica, immagazzina e distribuisce le **proteine** e **lipidi** provenienti dal **RE**. 4. **Lisosomi**: - **Struttura**: Vescicole contenenti **enzimi idrolitici**. - **Funzione**: Degradano materiale cellulare danneggiato, come organelli danneggiati e patogeni. 5. **Perossisomi**: - **Struttura**: Vescicole contenenti enzimi ossidativi. - **Funzione**: Degradano acidi grassi e metabolizzano sostanze tossiche come il **perossido di idrogeno**. ### **5. Struttura e Funzione del Citoscheletro** ### Il **citoscheletro** è una rete di filamenti proteici che fornisce supporto meccanico alla cellula, mantenendo la forma e facilitando i movimenti intracellulari. 1. **Composizione**: - **Microtubuli**: Strutture cilindriche che facilitano il **trasporto intracellulare**, la **divisione cellulare** (formando il fuso mitotico) e la **mobilità** (come nei flagelli). - **Filamenti intermedi**: Strutture che conferiscono **stabilità meccanica** alla cellula, evitando la deformazione. - **Microfilamenti** (Actina): Involved in **contrazione cellulare** (come nella **muscolatura**), **movimento cellulare** e **divisione cellulare**. 2. **Funzione**: - Mantengono la **forma cellulare**, facilitano il **movimento cellulare** e la **divisione cellulare**. - Il citoscheletro interagisce con la **matrice extracellulare** e regola la **morfogenesi** durante lo sviluppo. ### **6. Struttura e Funzione della Matrice Extracellulare (MEC)** La **matrice extracellulare (MEC)** è un complesso di proteine e glicoproteine che si trovano all\'esterno della cellula e che gioca un ruolo fondamentale nella **comunicazione cellulare** e nel **supporto meccanico**. 1. **Composizione**: - **Collagene**: Fornisce **forza** e **rigidità**. - **Elastina**: Conferisce **elasticità** ai tessuti. - **Fibronectina e Laminina**: Mediano l\'adesione delle cellule alla matrice. - **Glicosaminoglicani (GAGs)**: Come **acido ialuronico**, sono coinvolti nell\'**idratazione** e nella **resistenza alla compressione**. 2. **Funzione**: - La MEC è coinvolta nella **comunicazione intercellulare**, nella **morfogenesi** e nel **rinnovamento dei tessuti**. - Fornisce **supporto strutturale** ai tessuti e modula le **interazioni cellulari** e la **mobilità cellulare**. **[Cap 4. Caratteristiche fondamentali delle membrane biologiche]** **Caratteristiche Fondamentali delle Membrane Biologiche** Le membrane biologiche sono strutture fondamentali che separano l'interno della cellula o degli organelli dal loro ambiente esterno, controllando il passaggio di sostanze e garantendo l'integrità della cellula. Le membrane sono costituite principalmente da un doppio strato lipidico, che è intercalato da proteine e altre molecole. **La Struttura della Membrana Biologica** La struttura della membrana è descritta dal modello del doppio strato lipidico, proposto da Singer e Nicolson nel 1972 (modello mosaico fluido): 1\. Doppio strato lipidico: La membrana è formata da due strati di lipidi, in cui le code idrofobe (non polari) degli acidi grassi sono orientate verso l\'interno, mentre le teste idrofile (polari) sono orientate verso l'esterno, a contatto con l\'ambiente acquoso. 2\. Proteine di membrana: Le proteine sono incastonate o attraversano il doppio strato lipidico. Possono essere integrali (che attraversano completamente la membrana) o periferiche (che sono attaccate alla superficie della membrana). 3\. Colesterolo: Il colesterolo si trova tra i lipidi e contribuisce alla fluidità della membrana, mantenendola stabile in diverse condizioni di temperatura. **Le Funzioni delle Proteine di Membrana** Le proteine di membrana svolgono una varietà di funzioni essenziali per il funzionamento cellulare: 1\. Trasporto: Le proteine di trasporto regolano il passaggio di ioni, molecole piccole e grandi attraverso la membrana. Possono agire come canali (che formano aperture nella membrana) o come carrier (che trasportano le molecole attraverso la membrana). 2\. Recettori: Molte proteine di membrana agiscono come recettori, riconoscendo segnali chimici (come ormoni o neurotransmettitori) provenienti dall'ambiente esterno e trasmettendo il segnale all'interno della cellula. 3\. Adesione cellulare: Alcune proteine partecipano alle giunzioni cellulari, permettendo la comunicazione e l\'adesione tra le cellule. 4\. Identificazione cellulare: Le glicoproteine di membrana possono servire come marcatore di identità cellulare, facilitando il riconoscimento tra cellule dello stesso tipo o il riconoscimento del sistema immunitario. 5\. Enzimi: Alcune proteine di membrana fungono da enzimi, catalizzando reazioni chimiche a livello della superficie cellulare. **La Permeabilità della Membrana** La permeabilità selettiva della membrana biologica significa che essa consente il passaggio di alcune sostanze mentre ne impedisce il passaggio ad altre. La permeabilità dipende dalle proprietà chimiche delle molecole: Molecole piccole e non polari (es. ossigeno, anidride carbonica) possono attraversare facilmente la membrana. Molecole grandi o cariche (es. ioni, glucosio) non possono attraversare la membrana senza l\'aiuto di proteine di trasporto. Idratazione e la dimensione delle molecole influenzano anche la permeabilità. Meccanismi di Trasporto: Passivo e Attivo Il trasporto attraverso la membrana può essere classificato in due categorie principali: passivo e attivo. 1\. Trasporto passivo: Non richiede energia (ATP) e avviene lungo il gradiente di concentrazione (dalla zona di alta concentrazione a quella di bassa concentrazione). I principali tipi di trasporto passivo sono: Diffusione semplice: movimento di molecole non polari o piccole attraverso il doppio strato lipidico (es. ossigeno e anidride carbonica). Diffusione facilitata: utilizzo di proteine di trasporto per il passaggio di molecole polari o ioni attraverso la membrana. Queste proteine funzionano come canali o carrier. Osmosi: diffusione dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile, in risposta a una differenza di concentrazione di soluti. 2\. Trasporto attivo: Richiede energia (ATP) e permette il movimento di molecole contro il loro gradiente di concentrazione (dalla zona di bassa concentrazione verso quella di alta concentrazione). Gli esempi di trasporto attivo includono: Pompe ioniche: proteine di membrana che utilizzano energia per trasportare ioni contro il loro gradiente di concentrazione. Un esempio famoso è la pompa sodio-potassio (Na⁺/K⁺-ATPasi), che mantiene il gradiente di sodio e potassio tra l\'interno e l\'esterno della cellula. Trasporto attivo secondario: utilizza il gradiente creato dal trasporto attivo per trasportare altre molecole. **Esocitosi ed Endocitosi** Esocitosi ed endocitosi sono due processi che coinvolgono il trasporto di grandi molecole o particelle attraverso la membrana cellulare, utilizzando vescicole. 1\. Esocitosi: è il processo mediante il quale una cellula espelle materiali all\'interno di vescicole che si fondono con la membrana plasmatica, rilasciando il contenuto all\'esterno. È utilizzata per il rilascio di ormoni, neurotrasmettitori o altre sostanze. 2\. Endocitosi: è il processo in cui la cellula ingloba sostanze dall\'esterno formando vescicole che si staccano dalla membrana. Esistono diversi tipi di endocitosi: Fagocitosi: la cellula ingloba particelle solide (es. batteri o detriti). Pinocitosi: la cellula ingloba liquidi e piccole molecole. Endocitosi mediata da recettori: specifiche molecole si legano a recettori sulla membrana, provocando l\'invaginazione della membrana e l\'internalizzazione di particelle specifiche. **Ruolo e Forme delle Giunzioni tra Cellule** Le giunzioni cellulari sono strutture che permettono la comunicazione e l\'adesione tra cellule adiacenti. Le principali giunzioni cellulari sono: 1\. Giunzioni occludenti (tight junctions): sigillano strettamente le cellule vicine, impedendo il passaggio di molecole tra di esse (importante nelle cellule epiteliali). 2\. Desmosomi: sono giunzioni meccaniche che ancorano le cellule tra loro, resistendo a forze di tensione. Sono abbondanti nei tessuti che subiscono stress meccanico, come la pelle. 3\. Giunzioni comunicanti (gap junctions): permettono la comunicazione diretta tra le cellule, attraverso canali che consentono il passaggio di piccole molecole e ioni. Sono essenziali per il coordinamento di attività tra cellule, come nel cuore. 4\. Adesioni focali e hemidesmosomi: ancorano le cellule alla matrice extracellulare, aiutando la cellula a mantenere la sua posizione e stabilità. Le membrane biologiche sono strutture vitali per la cellula, che non solo separano il contenuto cellulare dall'ambiente esterno, ma regolano anche il flusso di sostanze attraverso meccanismi complessi come il trasporto passivo, attivo, l\'esocitosi e l\'endocitosi. Le proteine di membrana giocano un ruolo cruciale in questi processi, così come nelle interazioni tra cellule, garantendo l'adesione e la comunicazione cellulare. **[Cap 5. Caratteristiche fondamentali della comunicazione cellulare]** La **comunicazione cellulare** è il processo attraverso il quale le cellule di un organismo scambiano informazioni tra loro per coordinare funzioni vitali come la crescita, la risposta a stimoli esterni, la regolazione del metabolismo, la difesa immunitaria e molto altro. Poiché un organismo multicellulare è composto da miliardi di cellule, la comunicazione tra queste cellule è fondamentale per mantenere l\'ordine e l\'armonia all\'interno del corpo. La comunicazione cellulare permette alle cellule di reagire all\'ambiente circostante, interagire tra loro, attivare risposte fisiologiche e risolvere conflitti interni, come la gestione di malattie o danni tissutali. **1. Invio dei segnali** La comunicazione cellulare inizia con l\'emissione di un segnale da parte di una cellula segnalante. Questo segnale può essere di vari tipi: - **Segnali chimici** (ormoni, neurotrasmettitori, citochine, fattori di crescita): sono le molecole più comuni che vengono rilasciate dalla cellula segnalante. Possono essere trasportati nel sangue (come nel caso degli ormoni) o rilasciati nell'ambiente immediatamente circostante (segnali paracrini o autocrini). - **Segnali elettrici** (neurotrasmettitori nel sistema nervoso): in questo caso, la cellula segnalante è un neurone che trasmette un impulso nervoso attraverso il rilascio di neurotrasmettitori nella sinapsi. - **Segnali fisici** (pressione, temperatura): alcuni segnali possono essere fisici, come la tensione meccanica che può stimolare un recettore di membrana in una cellula. Questi segnali vengono inviati da una cellula attraverso due modalità principali: 1. **Segnalazione endocrina:** i segnali (ormonali) viaggiano attraverso il sangue per raggiungere cellule distanti, come nel caso dell\'insulina che regola il metabolismo 2. **Segnalazione paracrina:** i segnali sono rilasciati localmente nell\'ambiente extracellulare e agiscono su cellule vicine, come avviene nel processo di guarigione delle ferite o nelle risposte infiammatorie. 3. **Segnalazione autocrina:** la cellula invia segnali che agiscono su di sé stessa, per esempio nel caso di crescita cellulare o modificazioni metaboliche. 4. **Segnalazione juxtacrina:** il segnale è trasmesso direttamente da una cellula all\'altra tramite interazione fisica tra molecole di membrana. **2. Ricezione del segnale** La cellula bersaglio riceve il segnale attraverso **recettori** specifici, che possono trovarsi in diverse localizzazioni a seconda della natura del segnale. - **Recettori di membrana**: quando il segnale è una molecola idrosolubile (come i neurotrasmettitori o alcuni ormoni), il recettore si trova sulla **membrana plasmatica** della cellula. Questi recettori sono **proteine transmembrana** che legano il segnale esterno e trasmettono il messaggio all\'interno della cellula. Esempi di recettori di membrana sono i **recettori accoppiati a proteine G (GPCR)** e i **recettori tirosina chinasi (RTK)**. - **Recettori intracellulari**: se il segnale è una molecola liposolubile, come gli **ormoni steroidei** (ad esempio, estrogeni, testosterone) o gli **ormoni tiroidei**, il recettore si trova nel **citoplasma** o nel **nucleo** della cellula. Questi ormoni attraversano la membrana cellulare e si legano ai recettori che agiscono direttamente sul DNA per regolare l\'espressione genica. Un esempio classico è il recettore per gli ormoni steroidei, che attiva o inibisce specifici geni. **3. Trasduzione del segnale** La trasduzione del segnale è il processo che converte un segnale esterno in una risposta interna, tipicamente attraverso una serie di passaggi **molecolari complessi**. La chiave di questo processo è l\'attivazione di **secondi messaggeri** o **proteine effettori** che amplificano il segnale. Ecco come funziona: - **Recettori accoppiati a proteine G (GPCRs)**: Quando un segnale si lega a un recettore accoppiato a una proteina G, questa attiva o inibisce una proteina G che a sua volta può attivare altre proteine come le **adenilato ciclasi** (che producono cAMP, un secondo messaggero) o le **fosfolipasi C** (che rilasciano IP₃ e DAG, altri secondi messaggeri). - **Recettori tirosina chinasi (RTK)**: Questi recettori sono attivati da fattori di crescita o ormoni. Una volta che il ligando si lega al recettore, due recettori si dimerizzano e una **attivazione della tirosina chinasi** consente la fosforilazione reciproca delle tirosine, attivando ulteriori vie di segnalazione (es. via MAPK, che regola la proliferazione cellulare). - **Secondi messaggeri**: Questi sono molecole che vengono prodotte in risposta all\'attivazione del recettore e diffondono rapidamente all\'interno della cellula per amplificare il segnale. I principali secondi messaggeri sono: - **cAMP (adenosina monofosfato ciclico)**: attiva la proteina chinasi A (PKA), che fosforila diverse proteine. - **Ca²⁺**: un aumento della concentrazione intracellulare di calcio attiva una serie di proteine come la calmodulina. - **IP₃ (inositolo trifosfato) e DAG (diacilglicerolo)**: stimolano il rilascio di calcio dal reticolo endoplasmatico e attivano la proteina chinasi C (PKC). **4. Le risposte ai segnali** Una volta che il segnale è stato trasdotto all\'interno della cellula, la cellula risponde in vari modi, a seconda del tipo di segnale. Le risposte possono riguardare: - **Modificazioni metaboliche**: la cellula può alterare il proprio metabolismo per adattarsi al segnale. Un esempio è il rilascio di insulina da parte del pancreas, che stimola le cellule muscolari a captare glucosio. - **Regolazione del ciclo cellulare**: segnali da recettori per fattori di crescita possono attivare le chinasi ciclina-dipendenti (CDK), che spingono la cellula ad attraversare le fasi del ciclo cellulare. - **Crescita e differenziamento**: ormoni e fattori di crescita possono stimolare la **proliferazione cellulare** o la **differenziazione**. Per esempio, nel caso della divisione cellulare durante lo sviluppo embrionale, il segnale può indurre la sintesi di proteine necessarie per la replicazione del DNA. - **Modificazioni della forma cellulare**: in alcune situazioni (ad esempio, nella migrazione cellulare durante il processo di guarigione), la cellula cambia forma per spostarsi in un nuovo ambiente, attraverso modifiche nel citoscheletro. - **Apoptosi (morte cellulare programmata)**: in risposta a segnali di danno del DNA, infezione virale o stress, la cellula può avviare il processo di apoptosi, dove le proteine come la caspasi vengono attivate per indurre la morte cellulare. **5. Evoluzione della comunicazione cellulare** La comunicazione cellulare si è evoluta nel corso dei miliardi di anni, portando alla creazione di una **rete di segnali complessa** che permette agli organismi di adattarsi all\'ambiente. Alcuni aspetti chiave dell\'evoluzione della comunicazione cellulare sono: - **Prokaryotes e primi eucarioti**: i primi segnali di comunicazione cellulare erano piuttosto semplici e riguardavano principalmente **processi di regolazione del metabolismo** e la risposta a condizioni ambientali come la temperatura o la presenza di nutrienti. I batteri, per esempio, comunicano attraverso un processo chiamato **quorum sensing**, dove rilasciano molecole per \"sensing\" la densità della popolazione di batteri. - **Sviluppo della segnalazione endocrina**: nei metazoi, la comunicazione è diventata più sofisticata con l'evoluzione degli ormoni che viaggiano attraverso il flusso sanguigno per comunicare con cellule a distanza. Questo ha permesso la regolazione coordinata di processi complessi come la crescita, la riproduzione e il metabolismo. - **Comunicazione tramite il sistema nervoso**: con l\'evoluzione dei neuroni, è comparsa una forma di segnalazione molto più rapida e localizzata, che permette risposte immediate (come i riflessi) e la coordinazione di movimenti complessi. - **Comunicazione tra organismi**: l\'evoluzione ha portato anche alla **comunicazione inter-specie**, come nei casi di interazione tra piante e insetti tramite segnali chimici (ad esempio, la produzione di feromoni da parte degli insetti) **[Cap 6. Caratteristiche fondamentali dello studio dell\'energia applicata al metabolismo ]** Lo **studio dell\'energia applicata al metabolismo** si occupa dell\'analisi dei processi attraverso cui gli organismi viventi acquisiscono, trasformano e utilizzano l\'energia per svolgere le funzioni vitali. Il metabolismo comprende tutte le reazioni chimiche che avvengono all\'interno delle cellule e degli organismi, incluse quelle che permettono la produzione di energia (catabolismo) e quelle che la consumano per costruire nuove molecole (anabolismo). L\'energia, in questo contesto, è una risorsa fondamentale per il mantenimento della vita, e viene principalmente immagazzinata e trasferita in forma di **ATP (adenosina trifosfato)**, che funge da \"moneta energetica\" cellulare. **1. Lavoro biologico** Il **lavoro biologico** si riferisce all\'uso dell\'energia nelle cellule e negli organismi per eseguire funzioni vitali. Questo lavoro può essere suddiviso in diverse categorie, a seconda delle attività cellulari coinvolte: - **Lavoro meccanico**: riguarda il movimento delle cellule e degli organismi. Ad esempio, il movimento dei muscoli durante la contrazione o il movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare. - **Lavoro chimico**: include la sintesi di molecole complesse, come proteine, lipidi e acidi nucleici, che richiedono energia per la loro formazione. - **Lavoro osmotico**: riguarda il mantenimento del bilancio idrico e salino delle cellule. Ad esempio, il trasporto attivo di ioni attraverso le membrane cellulari contro il loro gradiente di concentrazione (come il pompa sodio-potassio). - **Lavoro elettrico**: riguarda la generazione e il mantenimento di potenziali elettrici, come il potenziale di membrana nelle cellule nervose e muscolari, necessario per la trasmissione dell\'impulso nervoso. - **Lavoro biologico:** è reso possibile grazie all\'energia chimica immagazzinata in molecole come l\'**ATP (adenosina trifosfato)**, che fornisce l\'energia per i processi cellulari. **2. Le leggi della termodinamica** La termodinamica è la scienza che studia le leggi che governano il trasferimento di energia, e queste leggi si applicano anche ai processi biologici. **Prima legge della termodinamica (Legge della conservazione dell\'energia)** La prima legge afferma che **l\'energia non può essere creata né distrutta, ma può solo essere trasformata da una forma all\'altra**. In un sistema biologico, l\'energia chimica contenuta nei nutrienti (ad esempio, carboidrati, grassi e proteine) viene trasformata in energia utilizzabile dalla cellula, che viene immagazzinata sotto forma di ATP o usata per compiere lavoro biologico. Ad esempio, quando una cellula metabolizza il glucosio, l\'energia chimica del glucosio viene convertita in energia chimica dell\'ATP e viene dissipata come calore. **Seconda legge della termodinamica (Legge dell\'entropia)** La seconda legge afferma che in ogni processo energetico, l\'energia tende a disperdersi, aumentando l\'**entropia** (la misura del disordine o della casualità del sistema). In altre parole, in ogni trasformazione energetica una parte dell\'energia si \"perde\" sotto forma di calore, che non può più essere utilizzata per compiere lavoro utile. Nel contesto biologico, il metabolismo produce energia utilizzabile, ma parte di questa energia viene inevitabilmente persa come calore durante le reazioni chimiche. Tuttavia, gli organismi viventi riescono a mantenere la loro \"organizzazione\" e a contrastare l\'entropia interna, sfruttando l\'energia proveniente dall\'ambiente. **Terza legge della termodinamica** La terza legge riguarda il comportamento delle molecole a temperature molto basse, stabilendo che **l\'entropia di un cristallo perfetto tende a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto**. Sebbene non abbia una grande applicazione diretta nel metabolismo, è importante nel contesto della chimica e della biologia molecolare. **3. Energia e Metabolismo** Il metabolismo è l\'insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono in un organismo per mantenere la vita. Queste reazioni possono essere divise in **catabolismo** e **anabolismo**. - **Catabolismo**: È il processo di **degradazione** delle molecole complesse in molecole più semplici, con il rilascio di energia. Per esempio, la **glicolisi** è il processo catabolico in cui il glucosio viene convertito in acido piruvico (piruvato), liberando energia sotto forma di ATP. - **Anabolismo**: È il processo di **sintesi** di molecole complesse a partire da molecole più semplici, e richiede energia. Un esempio è la sintesi proteica, che costruisce proteine a partire da amminoacidi. Nel metabolismo, l\'energia viene immagazzinata nelle **molecole ad alta energia**, come l\'ATP, che vengono poi utilizzate per alimentare le reazioni anaboliche e permettere alla cellula di svolgere lavoro. **4. L\'ATP (Adenosina Trifosfato)** L\'**ATP** è la **moneta energetica** delle cellule, poiché immagazzina e trasferisce l\'energia necessaria per i processi vitali. È una molecola composta da **adenosina** (una base azotata) e tre gruppi fosfato. **Funzione dell\'ATP:** - **Rilascio di energia**: Quando una cellula ha bisogno di energia, l\'ATP viene idrolizzato (rompendo il legame fosfato terminale) per liberare energia. La reazione è la seguente:\ ATP +H2O→ADP+Pi+energia\ Dove l\'energia liberata viene utilizzata per il lavoro biologico. - **Ricarica dell\'ATP**: L\'ATP viene rigenerato in seguito a processi come la **respirazione cellulare** (nei mitocondri) che converte il glucosio e l\'ossigeno in ATP, o la **fotosintesi** (nelle piante), che converte energia solare in ATP. **Importanza dell\'ATP:** - **Attività muscolare**: La contrazione muscolare richiede l\'uso di ATP per far scorrere i filamenti di actina e miosina. - **Sintesi di biomolecole**: La costruzione di macromolecole, come proteine, acidi nucleici e lipidi, richiede ATP. - **Trasporto attivo**: Il trasporto di molecole attraverso le membrane cellulari contro il loro gradiente di concentrazione (come il sodio e il potassio nelle cellule) richiede energia fornita dall\'ATP. **5. Struttura e Funzioni degli Enzimi** Gli **enzimi** sono proteine che catalizzano (accelerano) le reazioni chimiche nel metabolismo senza essere consumati durante il processo. Essi agiscono abbassando l\'**energia di attivazione** necessaria per avviare una reazione chimica, rendendo i processi biologici più rapidi ed efficienti. **Struttura degli Enzimi:** Gli enzimi sono **proteine** con una struttura tridimensionale complessa, che include: - **Sito attivo**: La regione dell\'enzima in cui si lega il substrato (la molecola su cui l\'enzima agisce). La forma del sito attivo è complementare alla forma del substrato, come una chiave in una serratura. - **Cofattori e coenzimi**: Molti enzimi richiedono l\'ausilio di molecole non proteiche per funzionare correttamente. Queste possono essere: - **Cofattori**: ioni metallici come Mg²⁺, Zn²⁺. - **Coenzimi**: molecole organiche, come il NAD⁺, che sono essenziali per il funzionamento di alcuni enzimi. **Funzioni degli Enzimi:** - **Catalisi**: Gli enzimi abbassano l\'energia di attivazione di una reazione, permettendo che la reazione avvenga più rapidamente. - **Specificità**: Gli enzimi sono altamente specifici nei confronti dei substrati con cui reagiscono. Un enzima può essere specifico per un singolo substrato o per una classe di substrati simili. - **Regolazione**: Gli enzimi possono essere regolati da fattori esterni (pH, temperatura) o da inibitori (molecole che ne riducono l\'attività). La **regolazione allosterica** è un meccanismo in cui l\'enzima cambia la sua attività in risposta alla legatura di una molecola in un sito diverso dal sito attivo. **Esempi di enzimi:** - **Amilasi**: Catalizza la degradazione degli amidi in zuccheri più semplici. - **DNA polimerasi**: Catalizza la sintesi del DNA durante la replicazione cellulare. - **ATP sintasi**: Enzima che catalizza la sintesi di ATP nei mitocondri. **[Cap 7. La sintesi di ATP nelle cellule]** La sintesi di ATP nelle cellule è un processo fondamentale che fornisce energia per numerose funzioni vitali, come la sintesi proteica, il trasporto attivo, la contrazione muscolare, e la replicazione del DNA. Questa energia viene prodotta attraverso il metabolismo di carboidrati, lipidi e proteine in un processo che coinvolge reazioni di ossidoriduzione (redox) e che avviene in stadi ben definiti, a seconda che si tratti di respirazione aerobica o anaerobica. **Reazioni Redox (Ossidoriduzione) nella Produzione di ATP** Le reazioni ossidoriduttive (redox) sono cruciali per la produzione di ATP. In questi processi, una molecola perde elettroni (si ossida) mentre un'altra li guadagna (si riduce). Nella respirazione cellulare, gli elettroni vengono trasferiti da molecole di alta energia (come il glucosio o gli acidi grassi) a molecole di bassa energia come l\'ossigeno, formando acqua. Durante questi passaggi, l\'energia rilasciata viene utilizzata per produrre ATP. Le principali molecole coinvolte in queste reazioni redox sono: \- NAD+ (Nicotinamide adenina dinucleotide), che si riduce a NADH acquisendo due elettroni e un protone. \- FAD (Flavina adenina dinucleotide), che si riduce a FADH2 durante il ciclo di Krebs. \- Ossigeno, che accetta gli elettroni alla fine della catena di trasporto degli elettroni (ETC), formando acqua. *[I Quattro Stadi della Respirazione Aerobica]* La respirazione aerobica è un processo che richiede ossigeno e avviene in quattro fasi principali: 1\. ***Glicolisi (avviene nel citoplasma)*** \- La glicolisi è la prima fase della respirazione cellulare e non richiede ossigeno. \- Glucosio (C₆H₁₂O₆) viene diviso in due molecole di \*piruvato\* attraverso una serie di reazioni chimiche. Questo processo consuma 2 molecole di ATP e produce 4 molecole di ATP (un guadagno netto di 2 ATP), oltre a 2 molecole di NADH. \- I prodotti della glicolisi (piruvato e NADH) vengono poi trasportati nel mitocondrio per le fasi successive, in caso di respirazione aerobica. ***2. Decarbossilazione del piruvato (avviene nel mitocondrio)*** \- Il piruvato prodotto dalla glicolisi entra nei mitocondri e viene decarbossilato (perde un gruppo CO₂) per formare acetil-CoA, una molecola a due atomi di carbonio. \- In questo passaggio viene prodotto NADH e liberato un altro CO₂. ***3. Ciclo di Krebs (o Ciclo dell\'Acido Citrico) (avviene nella matrice mitocondriale)*** \- L\'acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs, dove si combina con l\'ossalacetato per formare l\'acido citrico. \- Il ciclo di Krebs è una serie di reazioni che produce: \- 3 molecole di NADH. \- 1 molecola di FADH₂. \- 1 molecola di GTP (che può essere convertito in ATP). \- 2 molecole di CO₂ come prodotto di scarto. ***4. Catena di Trasporto degli Elettroni e Fosforilazione Ossidativa (avviene nella membrana interna del mitocondrio)*** \- Gli elettroni provenienti da NADH e FADH₂ vengono trasferiti attraverso una serie di complessi proteici (la \*catena di trasporto degli elettroni, o ETC). \- L'energia rilasciata durante questo trasferimento viene utilizzata per pompare protoni (H⁺) attraverso la membrana interna mitocondriale, creando un gradiente protonico. \- I protoni ritornano nel mitocondrio attraverso l\'enzima ATP sintasi, che utilizza l\'energia del flusso protonico per sintetizzare ATP. \- Alla fine della catena di trasporto degli elettroni, l\'ossigeno (O₂) accetta gli elettroni e si combina con protoni per formare acqua (H₂O). *Resa Energetica della Respirazione Aerobica:* \- La respirazione aerobica produce circa 36-38 ATP per molecola di glucosio (secondo alcuni calcoli, questa resa può variare in base all\'efficienza della catena di trasporto degli elettroni e alla conversione del GTP in ATP). **La Respirazione Anaerobica e la Fermentazione** Quando l\'ossigeno è assente o scarso, le cellule devono ricorrere a processi anaerobici per produrre ATP. La respirazione anaerobica non coinvolge la catena di trasporto degli elettroni e il ciclo di Krebs, ma si basa sulla glicolisi e su altre vie di produzione di ATP. **[Fermentazione]** La fermentazione è un processo anaerobico che avviene nel citoplasma e consente alle cellule di continuare a produrre ATP quando l\'ossigeno non è disponibile. Esistono due tipi principali di fermentazione: 1\. **Fermentazione lattica(nelle cellule animali e in alcuni batteri):** \- Quando l\'ossigeno è insufficiente, il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ridotto a acido lattico(latte) mediante la riduzione del NADH a NAD+, che permette il continuo funzionamento della glicolisi. \- La fermentazione lattica è utilizzata dalle cellule muscolari durante sforzi fisici intensi, quando l\'ossigeno non è sufficiente. ***2. Fermentazione alcolica (nei lieviti e in alcuni batteri):*** \- Il piruvato viene decarbossilato e ridotto a etanolo (alcool) e CO₂. La reazione è catalizzata da enzimi che riducono il NADH a NAD+, consentendo anche in questo caso il proseguimento della glicolisi. \- La fermentazione alcolica è utilizzata dai lieviti per produrre etanolo in assenza di ossigeno. *Resa Energetica della Fermentazione*: \- La fermentazione produce solo 2 ATP per molecola di glucosio, un guadagno energetico molto inferiore rispetto alla respirazione aerobica, ma sufficiente per garantire il funzionamento della cellula in condizioni anaerobiche. *Resa Energetica di Sostanze Nutritive Diverse dal Glucosio* Oltre al glucosio, anche lipidi e proteine possono essere utilizzati come fonti di energia per la sintesi di ATP. La loro metabolizzazione avviene attraverso processi che convertono questi nutrienti in molecole che possono entrare nel ciclo di Krebs. *Lipidi (Acidi Grassi)* I lipidi sono una fonte molto più energetica rispetto ai carboidrati, poiché ogni molecola di acido grasso è composta da lunghe catene di carbonio che, durante la beta-ossidazione, vengono convertite in acetil-CoA. L\'acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs per produrre ATP. \- La beta-ossidazione degli acidi grassi avviene nel mitocondrio, e ogni ciclo rilascia 1 molecola di acetil-CoA, 1 molecola di NADH e 1 molecola di FADH₂. \- Gli acidi grassi forniscono molta più energia per molecola rispetto al glucosio (fino a 129 ATP per una molecola di palmitato, un acido grasso comune). *Proteine* Le proteine vengono scomposte in amminoacidi durante il processo di digestione. Gli amminoacidi vengono poi deaminati (rimozione del gruppo amminico) e il resto della molecola entra nel ciclo di Krebs come acetil-CoA, piruvato, o altri intermedi. La proteina non è la principale fonte di energia, ma in condizioni di digiuno o stress prolungato, può essere utilizzata. *Resa Energetica delle Proteine*: \- Le proteine forniscono ATP in modo simile agli acidi grassi, ma la loro principale funzione è di servire come costituenti strutturali e enzimatici, non come fonte primaria di energia. **[Cap 8. Cromosomi, mitosi e meiosi]** Il DNA umano è suddiviso in 46 cromosomi, 23 di origine materna e 23 di origine paterna: 44 sono autosomi, due sono i cromosomi sessuali (XX e XY). Il cromosoma che determina il sesso è portato dallo spermatozoo, che può avere o X o Y. Le cellule uovo, invece, possono contenere solo il cromosoma sessuale X. L\'identificazione del numero di cromosomi di un individuo e della loro forma prende il nome di cariotipo, è la descrizione del patrimonio genetico dal punto di vista morfologico. L\'informazione genetica di una cellula eucariote è suddivisa in più filamenti, ovvero i cromosomi. Il corredo cromosomico indica l\'insieme dei diversi tipi di cromosomi, che contengono nella loro totalità una copia dell\'intera informazione genetica cellulare. Il numero *n* di corredi cromosomici completi contenuti nel nucleo viene definito ploidia. Le cellule possono essere ulteriormente classificate in base al numero di corredi cromosomici presenti all\'interno del loro nucleo: **Cellula Aploide (*n*)** → possiede un singolo corredo cromosomico (es. spermatozoi, cellula uovo) **Cellula Diploide (*2n*)** → possiede un doppio corredo cromosomico (es. tutte le cellule somatiche, che origina non a partire dalla divisione dello zigote) Una volta introdotti questi concetti si può cominciare a parlare del ciclo cellulare. Questo Consiste nell\'insieme di eventi che separano una divisione cellulare dall\'altra. Grazie a questo processo, gli esseri viventi hanno la possibilità di riprodursi,crescere o sostituire le cellule danneggiate. Abbiamo due fasi principali: - **[Interfase]** → La cellula svolge la sua attività metabolica e duplica il proprio DNA. questa fase si divide in tre sottofasi: 1. **Fase Gap 1 (G1)**= La cellula Raddoppia le proprie dimensioni e produce nuovi organuli ed enzimi fondamentali per la duplicazione del patrimonio genetico 2. **Fase di Sintesi (S)**= Avviene la duplicazione del DNA punto il processo trasforma i cromosomi da monocromatidici a bicromatidici. I cromatidi fratelli sono uniti tra loro a livello del centromero, regione del DNA non è ancora completamente duplicato. In questa fase comincia a duplicarsi il centrosoma, struttura formata da una coppia di centrioli è necessaria per la formazione del fuso mitotico 3. **Fase Gap 2 (G2)**= Si completano i processi di crescita e di formazione degli organuli - **[Fase Mitotica/Meiotica]** → Avviene l\'effettiva divisione cellulare Nel processo i protagonisti, che portano la cellula da una fase all\'altra, sono essenzialmente due: *Cicline* → proteine che si completano con le cdk attivandole; *Chinasi ciclina-dipendente (cdk)* → Enzimi ad azione fosforilativa che cambiano la conformazione e attivano alcune proteine. Queste proteine a loro volta catalizzano specifiche reazioni, permettendo al ciclo cellulare di proseguire. I passaggi tra le fasi si verifica una condizione che la cellula venga ritenuta idonea da particolari sistemi di controllo, detti checkpoint. Durante le fasi di controllo, alcune proteine come p53 (\"guardiana del genoma") si assicurano che le cellule danneggiate non vadano incontro a divisione, ma vengono indirizzate verso *l'apoptosi*. **Apoptosi**= morte cellulare programmata, processo finemente regolato **Necrosi**= Morte cellulare non programmata, quasi sempre patologica La durata del ciclo cellulare Varia tra le specie. nei mammiferi in media dura tra le 18 e le 24 ore, nei lieviti 1,5 / 3 ore. Le cellule che non si dividono rimangono solitamente bloccate in G1 che in questo caso viene definito **G0.** L\'arresto del ciclo porta la cellula in uno stato di cui è **quiescenza**, che può essere [temporanea o permanente]. Invece nel momento in cui la cellula perde la capacità di proliferare, essendo in uno stato di **senescenza**, che conduce a morte per apoptosi. Ogni ciclo cellulare va in contro a punti di controllo: [G1 o G1S]= tra la fase G1 e la fase S, se una cellula non passa questa fase va nella fase G0 [G2 o G2M]= controlla se il dna è stato correttamente duplicato, si trova tra fase G2 e M [M]= controlla se durante la metafase i cromosomi si sono allineati correttamente sulla piastra metafasica [Divisione cellulare] Può essere rappresentata dalla mitosi o dalla meiosi. Nella mitosi sono coinvolte tutte quante le cellule somatiche (riproduzione asessuata), mentre nella meiosi, avremmo la riproduzione solamente delle cellule germinali(riproduzione sessuata). [Mitosi] È un processo di produzione asessuata delle cellule eucariote, dove una singola cellula madre forma due cellule figlie geneticamente identiche ad essa è tra di loro, ma che possono essere fenotipicamente differenti. Con il termine mitosi si intende la **divisione del materiale genetico**, quindi del nucleo, mentre per la **ripartizione del citoplasma** il processo è definito **citodieresi** ed è l\'ultimo processo della fase M. Vediamo insieme le fasi della mitosi: 1. **Profase** Il nucleolo non è più evidente La cromatina si condensa e si spiralizza, ogni cromosoma risulta formato da due **cromatidi fratelli**, uniti nel **centromero**, al quale si associa il complesso proteico che forma il **cinetocore**, in grado di legarsi con i microtubuli del fuso mitotico Il centrosoma termina la sua duplicazione e i due nuovi centrosomi cominciano a migrare verso i poli opposti della cellula organizzando il **fuso mitotico**, costituito da un trama di **microtubuli** che permettono lo spostamento e la separazione dei cromosomi 2. **Prometafase** I due centrosomi Si posizionano ai poli opposti della cellula e completano la formazione del fuso mitotico. Quest\'ultimo formato da tre tipi di fibre: fibre polari, fibre dell\'aster e fibre del cinetocore La membrana nucleare si dissolve 3. **Metafase** I cromosomi si dispongono in fila sul **piano equatorial**e ( o **piastra metafasica**), con i cinetocori rivolti verso il polo opposto I cromosomi, ora, sono più spiralizzati e Ben distinguibili 4. **Anafase** I due cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si separano e si allontanano verso i poli opposti Grazie all\'azione delle fibre del cinetocore, da 46 cromosomi bicromatidici si ottengono 92 cromosomi monocromatidici 5. **Telofase** I cromosomi raggiungono i poli opposti Le fibre del fuso depolimerizzano e si disperdono Inizia a riformarsi la membrana nucleare intorno ai cromosomi e con essi nucleoli I cromosomi cominciano a decondensarsi riformando nuovamente la struttura originale della cromatina I cromosomi delle cellule somatiche, l\'estremità presentano delle regioni chiamate **telomeri**, composte da brevi sequenze altamente ripetute di DNA, il cui compito è quello di proteggere le informazioni genetiche dei danni potenzialmente indotti dalle esochinasi. Alla fine di ogni divisione cellulare, i telomeri subiscono un accorciamento graduale che si pensa sia correlato con l\'invecchiamento cellulare (*senescenza*). Tuttavia le cellule staminali e tumorali presentano un\'importante eccezione a questa regola: esse possiedono un enzima chiamato telomerasi, il quale è capace di ricostruire il DNA telomerico che viene perso. Ciò potrebbe spiegare perché le cellule tumorali vengono spesso definite come potenzialmente immortali [Meiosi] In questo processo una cellula germinale diploide forma quattro cellule aploidi monocromatiche chiamate **gameti.** Questo processo si sviluppa a livello delle **gonadi** (testicoli e ovario). E' un processo fondamentale per far avvenire la riproduzione sessuata. Le quattro cellule figlie prodotte presentano un patrimonio genetico differente da quello dei genitori; ciò aumenta la variabilità genetica e la probabilità di sopravvivenza e riproduzione. La divisione meiotica è divisa in due processi: **Meiosi I** → detta *riduzionale*, poiché la cellula passa dalla diploidia (*2n*) alla aploidia (*n*) **Meiosi II** → detta *equazionale*, si separano due cromatidi fratelli delle cellule aploidi Ognuna di queste è suddivisa in fasi omologhe alla mitosi. [Meiosi I (riduzionale)] 1. **Profase I** Fase più complessa Contemporaneamente si forma il fuso mitotico Suddivisibile in 5 fasi: - *Leptotene* - la cromatina si condensa e spiralizza, cominciando a costituire i cromosomi - *Zigotene* - si appaiano i cromosomi omologhi a livello delle sinapsi, formando le tetradi (4 cromatidi) - *Pachitene* - avviene il crossing over - *Diplotene* - si separano gli omologhi - *Diacinesi* - i cromosomi completano la loro condensazione e sono visibili sotto forma di tetradi, si dissolve la membrana nucleare e il nucleolo 2. **Metafase I** Le tetradi si allineano sul piano equatoriale Ogni omologo è rivolto verso il polo opposto della cellula La disposizione degli omologhi è un processo casuale (assortimento indipendente degli omologhi) 3. **Anafase I** Le fibre del fuso si contraggono e separano i cromosomi omologhi Ogni omologo è costituito ancora da due cromatidi 4. **Telofase I** Si riassembla la membrana nucleare Ricompare il nucleolo La cromatina inizia a despiralizzarsi E' seguita dalla prima citodieresi [Fine Meiosi I] → 2 cellule aploidi e 23 cromosomi bicromatidici (46 cromosomi) [Meiosi II (equazionale)] Si separano i cromatidi fratelli, in modo da formare quattro cellule aploidi con 23 cromosomi monocromatidici (23 cromatidi) E' composto da quattro fasi, le quali sono identiche alle corrispettive della meiosi la cellula uovo fecondata dallo spermatozoo è chiamata **[zigote]**, per poi formare l'embrione e infine il feto. **[Cap 9. Il DNA come molecola depositaria delle informazioni genetiche]** ### **DNA come Molecola Depositaria delle Informazioni Genetiche** Il **DNA** è la molecola che contiene le informazioni necessarie per lo sviluppo e il funzionamento di un organismo. La sua funzione è centralizzata nella **trasmissione e conservazione delle informazioni genetiche**. ### **1. Prove che il DNA è il Materiale Ereditario** Le prove che il DNA è il materiale ereditario provengono da esperimenti chiave che hanno isolato e identificato il DNA come elemento fondamentale per la trasmissione delle informazioni genetiche: - **Esperimenti di Griffith (1928)**: Hanno dimostrato che il materiale genetico di batteri morti può essere trasferito a batteri vivi, suggerendo un \"principio trasformante\". - **Esperimenti di Avery, MacLeod e McCarty (1944)**: Hanno identificato il **DNA** come il materiale responsabile della trasformazione batterica. - **Esperimenti di Hershey e Chase (1952)**: Hanno confermato che il **DNA**, e non le proteine, è il materiale genetico che viene trasferito da un virus a una cellula infettata. ### **2. La Struttura del DNA** Il DNA è costituito da due filamenti di nucleotidi avvolti a formare una **doppia elica,**all'interno le basi azotate formano legami ad idrogeno per garantire il mantenimento della forma. Ogni nucleotide è composto da: - Un **zucchero (desossiribosio)**. - Un **gruppo fosfato**. - Una delle **quattro basi azotate**: **adenina (A)**, **timina (T)**, **guanina (G)** e **citosina (C)**. Le basi azotate si legano in modo specifico: **A** si lega con **T** (con 2 legami ad idrogeno)e **G** si lega con **C** (con 3 legami ad idrogeno). Chargraff notò che il rapporto tra le basi era 1:1, A=T e C=G **POSSIBILE DOMANDA:** SE IN UNA MOLECOLA DI DNA ABBIAMO IL 30% DI A AVREMO IL 30% DI T, QUINDI NEL RESTANTE 40% AVREMO 20% DI C E 20% DI G QUALE E' LA SEQUENZA DELLA MIELICA DI DNA, RICORDANDO CHE LE DUE MIELICHE SONO ANTIPARALLELE ### ### ### **3. La Replicazione del DNA** La **replicazione del DNA** è un processo attraverso cui il DNA viene copiato prima della divisione cellulare. Questo processo è **semiconservativo**, poiché ogni filamento del DNA originale funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento. 1. **Inizio**: La **DNA elicasi** separa i due filamenti di DNA, separando i legami ad idrogeno tra le basi, interverranno delle proteine che stabilizzeranno l'apertura delle mieliche, andando a formare una bolla, la bolla di replicazione. Le **topoisomerasi** creano dei tagli del DNA per eliminare degli eventuali superavvolgimenti 2. **Sintesi**: La **DNA polimerasi** riesce a leggere l'informazione sul filamento che stiamo copiando e aggiunge nucleotidi. Però può aggiungere nucleotidi sono in direzione ***5' → 3'*** e, inoltre, necessita di un innesco, questo innesco è rappresentanto un primer ad RNA, ***DNA primasi***. a questo punto la DNA polimerasi inizia a lavorare. A livello di ogni forca di replicazione abbiamo due DNA polimerasi che lavorano, in filamento dove la DNA polimerasi lavora in direzione 5'\--\> 3' prenderà il nome di *filamento guida*, nell'altro filamento dove avremo una direzione opposta la DNA polimerasi creerà dei frammenti (*[frammenti di Okazaki]*) e il filamento prenderà il nome di *filamento ritardato,* ogni frammento avrà il suo primer. Successivamente l'enzima *ligasi*, eliminerà ogni primer sostituendoli con pezzi di DNA e unirà ogni frammento di Okazaki per rendere il filamento continuo. 3. **Terminazione**: La replicazione si completa, dando luogo a due copie identiche di DNA. la replicazione del DNA è considerata **semi-conservativa** perché il nuovo DNA sarà formato da un filamento vecchio e un filamento nuovo appena replicato. Ogni ad essere semi-conservativa è anche **bidirezionale**. Concludendo, la comprensione dei meccanismi di organizzazione cellulare, della struttura del DNA e della sua replicazione è fondamentale per comprendere le basi della biologia cellulare, dell\'ereditarietà e della fisiologia del corpo umano. **[Cap 10. L\' Espressione genica]** [Trascrizione del DNA] La trascrizione è il processo biologico attraverso il quale l\'informazione genetica contenuta nel DNA viene trasferito in una molecola di RNA messaggero (mRNA). possono essere trascritte tre diversi tipi di RNA: mRNA ( messaggero) → permette di trasformare l\'informazione genetica dal nucleo al citoplasma, dove poi avverrà la sintesi proteica rRNA(ribosomiale) → viene trascritto al livello dei nucleoli e si assembla ad altre proteine andando a costruire le subunità ribosomiali tRNA (transfer) → riconosce e permette la traduzione del mRNA a livello dei ribosomi [Processo Biologico] 1. ***Fase di Inizio***= Delle particolari proteine, definite *fattori di trascrizione*, riconoscono e legano il *sito promotore*, cioè il sito di inizio della sequenza di DNA che codifica per la proteina. Tale legale fornisce un sito di aggancio per l\'enzima chiave di tutto il processo, la *RNA polimerasi*, una volta riconosciuto il sito promotore, comincia a sintetizzare una catena di nucleotidi 2. ***Fase di allungamento***= La RNA polimerasi sintetizza un trascritto di RNA complementare al filamento di DNA, inserendo ribonucleotidi in *direzione 5' → 3'* 3. ***Fase di terminazione***= Specifiche sequenze di DNA segnalano la fine della zona da trascrivere. Si arresta la reazione di polimerizzazione e avviene il distacco dell\'enzima e dell\'RNA neo sintetizzato, il quale prende il nome di ***trascritto primario***. Esistono regioni di DNA che permettono la regolazione della trascrizione: ***Enhancers*** - regioni che favoriscono la trascrizione di un gene attraverso l\'interazione con i fattori di trascrizione. Possono agire su più geni a distanza e orientamento variabile ***Silencer*** - regioni silenziatrici che possono inibire l\'attività trascrizionale [Maturazione del trascritto primario] Le modifiche posso trascrizionali del RNA consistono in quattro processi che si verificano esclusivamente nel nucleo degli eucarioti - ***Capping***= aggiunta di una guanosina modificata all\'estremità 5' con un legame 5'-5' a formare il *Cap*, noto per il riconoscimento tra mRNA il ribosoma e per l\'inizio della traduzione - ***Poliadenilazione***= aggiunta di una lunga sequenza di adenosine all\'estremità 3' del trascritto, con funzione di protezione del mRNA dall\'azione di esonucleasi - ***Splicing***= rimozione delle regioni introniche e unione degli esoni a formare l'mRNA maturo. Si verifica in specifiche strutture nucleari denominate *spliceosomi* - ***Splicing alternativo***= Rimozione di Alcune regioni esoniche in modo da creare proteine diverse da una stessa sequenza di DNA. Presenteranno una struttura molto simile vengono indicate con il nome di isoforme proteiche [Traduzione dell'RNA] Il codice genetico è l\'insieme delle regole attraverso cui viene tradotta l\'informazione genetica. La sequenza nucleotidica dell'mRNA può essere infatti suddivisa in una serie di triplette di base azotate definite ***codoni***, ciascuna delle quali **codifica per uno specifico amminoacid**o. Si possono avere ben **64 triplette diverse**. 61 di queste sono codificate per un amminoacido, tre sono **non codificanti e prendono il nome di codone di stop (UAA, UAG, UGA)**. Il codice genetico presenta due caratteristiche fondamentali: è ***degenerato*** → ciascuna di fretta codifica per un singolo aminoacido, ma essendo le triplette 64 gli aminoacidi viventi, più tre rette differenti codificano per lo stesso amminoacido è ***universale*** → è valido in tutte le forme di vita conosciute, ad eccezione di alcuni casi particolari come il DNA mitocondriale Con la traduzione il messaggio codificato nella molecola di mRNA viene convertito in proteina. Si svolge principalmente a livello del citoplasma delle cellule eucariote, ma può verificarsi anche a livello di mitocondri o cloroplasti nei procarioti. I processi di trascrizione e traduzione si verificano contemporaneamente a livello citoplasmatico. I componenti dell\'apparato tradizionale sono: - **mRNA** - **Ribosomi** - **tRNA** - **Amminoacil-tRNA-Sintetasi** - **Fattori di inizio, allungamento e terminazione** [Processo Biologico] 1. **Inizio**= la subunità minore del ribosoma si lega alla sequenza di riconoscimento sul mRNA. Successivamente un particolare tRNA che trasporta una metionina modificata, con l\'anticodone riconosce il lega il codone d\'inizio (**AUG**). Si viene a formare il complesso di inizio, a cui si unirà la subunità maggiore così che il tRNA andrà sul sito P 2. **Allungamento**= in presenza di uno specifico fattore di allungamento, un noto tRNA, carico di un altro aminoacido va a posizionarsi nel sito A della subunità maggiore; nel sito A è presente un\'attività enzimatica che prende il nome di peptidil-transferasi, che catalizza il distacco della metionina dal tRNA presente nel sito P e la successiva formazione di un legame peptidico tra la metionina e il secondo amminoacido. Lo scorrimento reciproco del complesso mRNA-ribosoma fa sì che il tRNA nel sito P scivoli nel sito E e che il tRNA nel sito A si sposti nel sito P, liberando il sito A. Tutto ciò si ripete fino alla comparsa di un codone di stop 3. **Terminazione**= un fattore di rilascio si lega al complesso quando nel sito A entra uno dei tre codoni di stop (UAA,UAG,UGA). Il prodotto polipeptidico viene rilasciato e i componenti del complesso si disassemblano [Modifiche post-traduzionali] Dopo la loro sintesi, le proteine possono andare incontro a modificazioni chimiche: **Proteolisi** → rottura del polipeptide che permette la formazione di frammenti attivi **Glicosilazione** → aggiunta di zuccheri importanti per il riconoscimento della proteina, quindi formazioni di glicoproteine\ **Fosforilazione** → aggiunta dei gruppi fosfato che modella la forma e le proprietà elettriche della proteina attivandola o inattivandola **[Cap 11. La regolazione genica]** La regolazione genica è fondamentale per il controllo dell\'espressione dei geni in tutte le cellule viventi, sia procariotiche che eucariotiche. Sebbene i principi generali siano simili in entrambi i tipi di cellule, esistono differenze significative nel modo in cui avviene questa regolazione, dovute alle differenze strutturali e funzionali tra le cellule procariotiche (che non possiedono un nucleo definito) e quelle eucariotiche (che possiedono un nucleo vero e proprio e organelli legati alla membrana). *Regolazione Genica nelle Cellule Procariotiche* Le cellule procariotiche (batteri e archeobatteri) sono organismi unicellulari che non hanno un nucleo definito né una compartimentazione complessa. La regolazione genica in queste cellule è generalmente più semplice rispetto a quella eucariotica e si concentra principalmente su come attivare o reprimere l\'espressione genica in risposta a segnali ambientali. 1. *[Operoni e Regolazione Transcrizionale]* Uno dei principali meccanismi di regolazione genica nelle cellule procariotiche è il concetto di operone, un gruppo di geni che sono trascritti insieme sotto il controllo di un singolo promotore. \- Operone lac: È uno degli esempi classici di regolazione genica nei batteri. Il lac operon in Escherichia coli è responsabile della degradazione del lattosio e viene attivato solo quando il lattosio è presente nell\'ambiente e il glucosio (un altro zucchero più facile da metabolizzare) è scarso. \- Il repressore del lac operon legato al gene lacI impedisce la trascrizione dei geni responsabili della metabolizzazione del lattosio. Quando il lattosio si lega al repressore, questo si dissocia dal DNA, permettendo l\'espressione dei geni dell\'operone. \- Operone trp: Regola la biosintesi del triptofano in E. coli. Il triptofano agisce come un corepressore. Quando i livelli di triptofano sono alti, il triptofano si lega al repressore, attivandolo e impedendo la trascrizione dei geni che codificano per gli enzimi coinvolti nella sintesi del triptofano. Gli operoni consentono una regolazione efficiente dell\'espressione genica, risparmiando risorse energetiche quando non è necessario produrre proteine specifiche. 2. *[Regolazione da Piccole Molecole e Proteine Repressive]* \- Induttori: Molecole che attivano l\'espressione di un gene o di un operone. Ad esempio, nel caso dell\'operone lac, il lattosio funge da induttore che libera il repressore e consente la trascrizione dei geni necessari per metabolizzare il lattosio. \- Repressori: Proteine che legano il DNA, impedendo l\'attivazione della trascrizione. Un esempio è il repressore dell\'operone lac, che blocca la trascrizione finché non si lega al lattosio. 3. *[Regolazione Post-traduzionale e Modifiche al RNA]* Anche nelle cellule procariotiche esistono meccanismi di regolazione post-traduzionale che includono la modificazione dell\'RNA e la degradazione dell\'RNA. Tuttavia, questi meccanismi sono meno complessi rispetto a quelli eucariotici, poiché le cellule procariotiche sono generalmente più rapide nell\'adattarsi ai cambiamenti ambientali. **[Regolazione Genica nelle Cellule Eucariotiche]** La regolazione genica nelle cellule eucariotiche è molto più complessa rispetto a quella procariotica, poiché le cellule eucariotiche hanno un\'organizzazione interna molto più elaborata, che include un nucleo (dove si trova il DNA) e organelli cellulari. La regolazione genica avviene a diversi livelli, dal controllo della trascrizione del DNA alla regolazione post-traduzionale delle proteine. *[1. Regolazione della Trascrizione]* La regolazione a livello di trascrizione è uno dei principali meccanismi di controllo dell\'espressione genica nelle cellule eucariotiche. Gli eucarioti possiedono fattori di trascrizione e elementi regolatori che interagiscono con il promotore di un gene per attivare o reprimere la trascrizione. \- Fattori di trascrizione: Sono proteine che si legano al DNA e regolano l\'inizio della trascrizione. Alcuni fattori di trascrizione agiscono come attivatori (stimolano la trascrizione), mentre altri agiscono come repressori (inibiscono la trascrizione). \- Enhancer e Silencer: Gli enhancer sono sequenze di DNA che aumentano l\'espressione genica, mentre i silencer riducono l\'espressione. Questi elementi possono essere distanti dal promotore del gene, ma sono in grado di influenzare la trascrizione legandosi a fattori di trascrizione che interagiscono con il complesso di pre-inizio. \- Modifiche degli istoni: La modificazione degli istoni (proteine che avvolgono il DNA) gioca un ruolo cruciale nella regolazione della trascrizione. La acetilazione degli istoni è associata ad una cromatina più aperta e attiva, mentre la metilazione può chiudere la cromatina, silenziando l\'espressione genica. \- Metilazione del DNA: metilazione dei gruppi metilici sulle citosine del DNA è una forma di regolazione epigenetica che inibisce l\'espressione genica. I geni ipermetilati sono tipicamente silenziati. *[2. Regolazione Post-trascrizionale]* Una volta che l\'RNA è stato trascritto, ci sono ulteriori meccanismi di regolazione post-trascrizionali che determinano la stabilità, la maturazione e la traduzione dell\'RNA: \- Splicing alternativo: In eucarioti, un singolo gene può produrre diverse proteine grazie a un processo chiamato splicing alternativo, dove l\'RNA pre-messaggero viene tagliato e riunito in vari modi per generare diverse isoforme di RNA messaggero. \- MicroRNA (miRNA): I miRNA sono piccole molecole di RNA che regolano l\'espressione genica legandosi a mRNA specifici, impedendone la traduzione o inducendone la degradazione. \- Capping e Poliadenilazione: L\'aggiunta di una cappa alla fine 5\' e di una coda poli-A all\'estremità 3\' dell\'mRNA è fondamentale per la sua stabilità, per il trasporto dal nucleo al citoplasma e per il processo di traduzione. *[3. Regolazione della Traduzione]* In eucarioti, la traduzione dell\'RNA in proteina è soggetta a numerosi controlli, che comprendono: \- Controllo dell\'inizio della traduzione: L\'attività dei fattori di iniziazione della traduzione può essere regolata da segnali cellulari, come ormoni o segnali di crescita, che stimolano o inibiscono la traduzione di specifici mRNA. \- Modifiche post-traduzionali: Le proteine appena sintetizzate subiscono una serie di modifiche come fosforilazione, acetilazione, glicosilazione e metilazione che possono influenzarne l\'attività, la stabilità e la localizzazione all\'interno della cellula. *[4. Regolazione Epigenetica]* \- Modifiche chimiche del DNA e degli istoni: Oltre alla metilazione del DNA, altre modifiche come acetilazione, metilazione e fosforilazione degli istoni influenzano la struttura della cromatina e l\'accessibilità del DNA alla macchina trascrizionale. \- Imprinting genomico: Alcuni geni vengono espressi in modo diverso a seconda che siano ereditati dalla madre o dal padre, attraverso un processo chiamato imprinting genomico. **[Differenze Principali tra la Regolazione Genica in Procarioti ed Eucarioti]** 1\. *[Organizzazione del Genoma:]* \- Nei procarioti, il DNA è generalmente circolare e si trova nel citoplasma in una regione chiamata nucleoide. I geni sono organizzati in operoni. \- Negli eucarioti, il DNA è lineare e si trova nel nucleo, legato a proteine istoniche che formano la cromatina. 2\. *[Controllo della Trascrizione:]* \- Nei procarioti, la regolazione della trascrizione è principalmente attraverso operoni. \- Negli eucarioti, la regolazione avviene a molti livelli (trascrizione, splicing, traduzione) e coinvolge fattori di trascrizione, enhancer, silencer e modifiche degli istoni. 3\. *[Modifiche Epigenetiche:]* \- Nei procarioti, le modifiche epigenetiche sono limitate. \- Negli eucarioti, le modifiche epigenetiche come la metilazione del DNA e le modifiche degli istoni sono fondamentali per la regolazione dell\'espressione genica. **[Cap 12.Caratteristiche fondamentali e le diversità fra i sistemi viventi]** ***Virus***= assemblaggi organizzati di proteine, acidi nucleici e altre macromolecole che hanno la peculiarità di non essere capaci di riprodursi autonomamente. Infatti, sfruttano l'apparato biosintetico della cellula infetta (*cellula ospite*) per riprodurre il proprio materiale genetico e le proprie strutture proteiche e per tale motivo vengono definiti come ***parassiti endocellulari obbligati*** Le principali caratteristiche sono: **Dimensioni** - 10/30 nm **Materiale Genetico** - singola molecola di DNA o RNA di diversa lunghezza, a singolo o doppio filamento **Rivestimento** - *capside proteico*; presentano anche un involucro fosfolipidico che deriva dalla membrana della cellula infettata e che prende il nome di *envelope* **Classificazione** - possono infettare sia procarioti che eucarioti. Li classifichiamo anche in base al materiale genetico e alla struttura (es. i **retrovirus** sono virus a RNA che sfrutta la trascrittasi inversa)  Successivamente all'infezione della cellula ospite, il batterio potrà andare in contro a due destini: 1. **Ciclo Litico** → il materiale genetico del virus viene incluso nel DNA batterico per poi essere trascritto e tradotto insieme ad esso. Si avrà la produzione delle proteine del capside proteico e la proliferazione di nuovi elementi virali, che raggiungeranno un numero talmente elevato da causare una lisi, quindi uno scoppio, della cellula ospite; 2. **Ciclo lisogeno** → il materiale genetico del virus viene incluso nel DNA batterico ma non viene né trascritto né tradotto. Ciò permette di replicare il materiale genetico virale insieme a quello della cellula infetta per poi trascriverlo e tradurlo secondariamente in risposta ad altri stimoli. ***Agenti subvirali***= (o viroidi)sono molecole fatte da un breve sequenza di RNA a singola elica senza involucro proteico; proprio per questa mancanza, non sono classificati come virus. Tuttavia, essi hanno caratteristiche che sono comuni a diversi virus e sono spesso chiamati agenti subvirali. **[Cap 14.I Batteri e gli archeobatteri]** La distinzione più corretta e completa, al livello più generico possibile, tra organismi viventi, è quella in **regni**. Ogni regno include organismi con caratteristiche generali comuni. La loro organizzazione cambia in base agli studi e alle scoperte: attualmente vi sono **sette regni**. I procarioti sono rappresentati da due di questi: i **batteri** propriamente detti (spesso denominati anche **eubatteri**) e gli **archea** (o **archeobatteri**), organismi unicellulari molto simili ai batteri ma con caratteristiche biochimiche uniche e spesso presenti in ambienti con condizioni estreme. I procarioti si caratterizzano per non avere organuli chiusi in membrane. Le reazioni biochimiche e la sintesi proteica avvengono nel **citoplasma**, e allo stesso modo il cromosoma (solitamente uno, ma non è raro che se ne abbiano di più) non è racchiuso nel nucleo, ma è anch'esso nel citoplasma. Proprio riguardo al corredo genetico, **i procarioti hanno uno o più cromosomi circolari**. **Accanto a questi, vi possono essere frammenti genetici, sempre in forma circolare, più piccoli, chiamati plasmidi**. *Plasmide*= elemento genetico che di solito reca geni accessori (quindi non strettamente indispensabili alla vita dell'organismo) ma utili in determinate circostanze. Ad esempio, può recare i geni della resistenza a un antibiotico, o per metabolizzare particolari fonti di energia. Non essendoci nucleo, **il DNA man mano che viene trascritto in RNA messaggero viene anche tradotto in proteine**: non abbiamo due fasi separate come negli eucarioti. Questa simultaneità permette strategie di regolazione della trascrizione impossibili negli eucarioti: ad esempio, **la proteina risultante dalla traduzione può [direttamente] inibire la trascrizione dei geni ad essa correlati una volta che è stata prodotta in quantità sufficiente**. [Struttura dei batteri] il componente prioritario della cellula batterica è l'acqua, che rappresenta l'80% della massa cellulare ed il solvente in cui si disperdono le varie componenti. All'interno di una cellula batterica vi troviamo: - Avremmo un **singolo cromosoma**, immerso direttamente nel citoplasma e contenente [DNA](https://www.my-personaltrainer.it/biologia/dna.html) avvolto in una struttura circolare superspiralizzata. Di solito questo DNA è in stretta associazione con particolari regioni della membrana plasmatica (MESOSOMI), dove risiedono gli enzimi per la replicazione batterica e per la produzione di energia (**nucleotide**) - I **ribosomi** - La **membrana plasmatica** del batterio è molto simile a quella eucariotica, anche se più sottile; possiamo riconoscervi innanzitutto il tipico doppio strato fosfolipidico, in cui sono immerse **glicoproteine** e **glicolipidi**. Anche le funzioni sono analoghe, dal momento che la membrana plasmatica batterica regola gli scambi con l\'ambiente. Al suo esterno troviamo una struttura caratteristica, la parete batterica - La **Parete Batterica** fornisce al batterio **rigidità** e **robustezza**, evitando che si danneggi quando si trova in un ambiente con ridotta [pressione osmotica](https://www.my-personaltrainer.it/fisiologia/osmolarita.html); svolge inoltre funzioni di **difesa** contro la [fagocitosi](https://www.my-personaltrainer.it/biologia/fagocitosi.html), e **regolatrici** sullo scambio di [nutrienti](https://www.my-personaltrainer.it/nutrizione/nutrienti-quali-e-cosa-sono-e-a-cosa-servono.html) e metaboliti con il mondo esterno - Una membrana esterna la troviamo solo nei batteri **GRAM-** *Gram+*= un batterio che riesce ad essere colorato attraverso la colorazione di Gram *Gram-* = un batterio che non riuscirà a "trattenere" il colorante di Gram e dunque ad essere colorato da questo [Struttura degli archeobatteri] Questi si presentano con dimensioni simili a quelle dei batteri, anch\'essi privi di nucleo e di organelli cellulari definiti e separati da membrana. Le principali differenze tra batteri e archea si trovano nella differente configurazione della parete cellulare e della membrana. - La **parete** in questo caso è priva del **peptidoglicano.** In alcuni archea abbiamo un composto simile, lo pseudopeptidoglicano. Tuttavia, non tutti gli archea possiedono la parete cellulare, ma molti sono dotati di rivestimenti differenti costituiti da proteine, glicoproteine e polisaccaridi - La membrana plasmatica la possiamo trovare sia con due strati fosfolipidici sovrapposti, sia con un singolo strato di fosfolipidi [La riproduzione e lo scambio genetico] I microroganismi unicellulari, non solo procarioti, si riproducono per **scissione**: una cellula ingrandisce di dimensioni, duplica il suo corredo genetico e quindi si separa in due cellule differenti. Ogni microrganismo avrà dunque una crescita esponenziale, andando a formare una colonia. Tuttavia, anche in assenza di riproduzione sessuale, le cellule procariote presentano meccanismi per scambiare tra loro il materiale genetico. Questo fenomeno si chiama **trasferimento genetico orizzontale,** permettendo così l'acquisizione di caratteri che permettono una migliore sopravvivenza. Vi sono tre modalità principali con cui avviene il trasferimento orizzontale: - **Coniugazione**: avviene tra una cellula dotata di una porzione di DNA circolare chiamata plasmide F e una che ne è priva. Si forma un collegamento, attraverso un *pilus*, tra le due cellule, e il plasmide F si replica e una copia viene traslata attraverso il *pilus* nella cellula ricevente. Questo plasmide (di cui quello F è il più comune, ma ne esistono altri), oltre ai geni necessari per la replicazione e per la formazione del ponte, può contenere altri geni utili all'adattamento in un particolare ambiente. A volte il plasmide si integra nel cromosoma principale del batterio: in questo caso viene trasferito l'intero cromosoma e la cellula donatrice è detta HFR, *high frequency of recombination*. - **Trasduzione**: vi sono dei virus, detti batteriofagi, o più brevemente fagi, che infettano i batteri lisandone il DNA e riducendolo in frammenti. Alcuni di questi frammenti possono restare dentro i nuovi fagi formati durante l'infezione e passare in altri batteri infettati. Nel caso in cui i fagi perdono la loro capacità di distruggere le cellule infettate, il DNA trasdotto si ingloba nella cellula ricevente. - **Trasformazione**: i batteri possono anche assorbire frammenti di DNA o RNA direttamente dall'ambiente esterno, talvolta incorporando nel cromosoma o in un plasmide, e acquisendo così nuove funzionalità.