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Biologia Lezione1 La Biologia è lo studio scientifico della vita,ovvero prendere i dati, metterli insieme, elaborarli, sviluppare un approccio scientifico che permetta di formulare un’ipotesi e spiegazione. Quando si parla di Biologia si fa riferimento all’organizzazione delle componenti ,come il D...

Biologia Lezione1 La Biologia è lo studio scientifico della vita,ovvero prendere i dati, metterli insieme, elaborarli, sviluppare un approccio scientifico che permetta di formulare un’ipotesi e spiegazione. Quando si parla di Biologia si fa riferimento all’organizzazione delle componenti ,come il DNA che contiene le informazioni utili a dare origine a un intero organismo, oltre all’elaborazione delle informazioni a carico dei neuroni. Quando si parla di energia si parla di energia chimica, che si presenta principalmente sotto forma di ATP, ma anche NADH. Questa energia chimica viene rilasciata agli enzimi che ne hanno bisogno. Sono molto importanti anche le interazioni con l'ambiente,la luce solare,le radiazioni cosmiche che schermiamo ma che possono avere anche effetti collaterali. Tutto il metabolismo cellulare ha bisogno di energia chimica(ATP,GTP etc.) La vita si basa su un’organizzazione molto precisa che parte da atomi e arriva a popolazioni di organismi, che vivono in un determinato ecosistema. Biosfera si intende l’insieme di tutte queste comunità che sono presenti sulla superficie terrestre. L’acqua è una molecola fondamentale per gli organismi ,circa il 70%, con una variazione che dipende dal tessuto. LE BASI DEL PENSIERO BIOLOGICO MODERNO BIOGENESI (Huxley,1870):organismi viventi derivano sempre da organismi viventi preesistenti. TEORIA CELLULARE(Schleiden e Schwann,1839):tutti gli organismi viventi hanno come unità funzionale la cellula. Le cellule vennero scoperte da questi 2 scienziati (uno lavorava sugli animali e uno sulle piante). Il nome cellule proviene dal fatto che si vedessero delle strutture rettangolari che racchiudevano qualcosa all’interno, appunto come delle celle. La teoria cellulare sostiene che ogni organismo vivente abbia come unità funzionale queste cellule e risale al 1800. Con l’avvento della microscopia, la teoria venne confermata e sviluppata. Le cellule sono molto diverse (neuronali, epiteliali ecc) e sono fondamentali per la vita, tant’è che se una cellula non funziona perfettamente non permetterà il mantenimento dell’omeostasi. La cellula ha delle caratteristiche precise ed importanti, come il controllo da parte della membrana delle sostanze in uscita e in entrata. Per omeostasi si fa riferimento al concetto che vede il mantenimento di determinate caratteristiche cellulari, il che non vuol dire che è immobile o non succede niente all’interno della cellula, ma deve mantenere costante la quantità di acqua o deve tenere costante le concentrazioni di ioni all’interno. Per fare tutto questo ha bisogno di ATP, di energia. TEORIA EVOLUZIONISTICA(Darwin 1859):tutti gli organismi viventi sono legati l'uno dall altro discendendo da un antenato comune.  LEGGI DELL'EREDITÁ (Mendel,1865):i caratteri ereditari vengono trasmessi di generazione in generazione con modalità precise. Nonostante la mancanza di mezzi per la comprensione,Mendel, con una serie di incroci ed esperimenti, riuscì a capire che i caratteri di un organismo dovevano essere trasmessi. Prima si pensava che i caratteri si mescolassero e che i vari colori delle generazioni successive di piante fossero frutto del rimescolamento. Cosa che poi è stata corretta con la scoperta dei geni. I geni(un tratto del DNA) codificano per le proteine e questo fu dimostrato solo dopo la scoperta del DNA, quindi nel 1900. TEORIA CROMOSOMICA DELL’ EREDITARIETÀ (Sutton e Boveri,1903): i cromosomi soni i veicoli dei caratteri ereditari che si trasmettono con le modalità descritte da Mendel. Metà novecento Crick e Watson scoprirono che i geni codificano per proteine. Quando si poté vedere una cellula in divisione mitotica si capì cosa intendeva Mendel. C.Darwin (1808-1882) Teoria dell'evoluzione e della selezione naturale,discendenti con modificazioni. I cambiamenti casuali vengono ereditati e portano alla diversità oggi chiamata mutazioni. La diversità porta alla variabilità della stessa specie fino alla comparsa di nuove specie. Tutto questo processo porta alla selezione naturale,ovvero la sopravvivenza dei più adatti. Le mutazioni ovviamente si trasmettono ma per capire se queste sono state vantaggiose o svantaggiose bisogna osservare più generazioni. Le mutazioni genetiche vengono riparate dai sistemi di riparazione del DNA,ma con le numerose divisioni che avvengono nel corso della vita, potrebbero esserci errori che portano a mutazioni maligne o benigne del DNA. TEORIA EVOLUZIONISTICA Prove moderne a supporto della teoria evoluzionistica Tutti gli organismi viventi contengono la stessa tipologia di molecole(proteine,carboidrati,lipidi,acidi nucleici ,acqua etc..) In tutti gli organismi viventi l'informazione genetica che viene trasmessa di generazione in generazione è contenuta nel DNA e viene "letta e tradotta" secondo un codice universale. Al momento della decodifica il DNA si apre e viene trascritto e viene letto di 3 in (codoni e anticodoni), poiché così formano gli amminoacidi ovvero le unità base delle proteine. Il DNA è formato da adenina, guanina, timina e citosina ma e’ l’ordine fa la differenza negli organismi, noi abbiamo strumenti che ci permettono di osservare la sequenza del DNA. Esistono programmi che rilevano la somiglianza tra delle sequenze. Se si osserva l’emoglobina si può intuire che è molto più conservata. Per esempio quella della scimmia è molto simile a quella umana. La biologia molecolare Specie strettamente correlate hanno in comune una percentuale di DNA e proteine maggiore rispetto a specie non imparentate. CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI SECONDO CARLOUS LINNEO BIODIVERSITÀ: Milioni di specie oggi esistenti,nuove specie vengono continuamente scoperte. SPECIE: Unità fondamentale della tassonomia definisce un gruppo di individui con caratteristiche simili, capaci di accoppiarsi e produrre prole fertile. Ci sono tante specie esistenti e nuove specie si formano continuamente per via delle mutazioni. ORIGINE DELLA VITA L’origine della Terra risale a circa 5 miliardi di anni fa mentre quella della vita risale a 3.9 miliardi di anni fa e lo stimiamo grazie ai fossili principalmente. IPOTESI: I primi organismi furono i prodotti dell'evoluzione chimica realizzata in quattro tappe e durata circa 700 milioni di anni fa. 1)Sintesi abiotica e accumulo di piccole molecole organiche:monomeri; 2)Unione di questi polimeri; 3) Inglobazione polimeri in protobionti(goccioline lipidiche); 4) Comparsa di processi di autoreplicazione. La teoria dice che a un certo punto da,componenti chimiche,si sia formato un primo organismo.Avvenne una sintesi abiotica e ci furono le prime molecole organiche(i monomeri, composti da legami carbonio-carbonio), in particolare il metano (CH4). Monomeri che poi si unirono formando delle catene chiamate polimeri. Dai polimeri poi si crearono le goccioline lipidiche e così via fino a quando non è apparso il processo di duplicazione cellulare. Esperimento di Miller-Urey Anni 50' Miller e Urey dimostrarono che le molecole organiche si possono formare spontaneamente,nelle giuste condizioni ambientali a partire da sostanze inorganiche più semplici. L’esperimento di Miller-Urey degli anni ‘50 provò a dimostrare la veridicità di questa teoria. Attraverso un sistema di ampolle, al cui interno c’erano ammonio, idrogeno, collegati con dei tubi a simulare l’atmosfera primordiale. Fecero in modo di sottoporre le ampolle a delle cariche elettriche. Il loro obiettivo era dimostrare che nell’atmosfera primordiale non c’era ossigeno libero ma solo altri gas come H, NH4,CH4,H2O ecc e che nonostante ciò le molecole organiche riescono a formarsi spontaneamente.  Volevano far evaporare l’acqua, cosi raggiungeva il mix di gas, che subiva cariche elettriche(fulmini) e vedere cosa accadeva, quindi se potevano organizzarsi partendo da una scarica d’energia e un successivo raffreddamento. Come risultato, dopo circa una settimana, il 15% del carbonio formò molecole organiche. Ipotesi: nell'atmosfera primordiale non vi era ossigeno libero ma abbondante idrogeno,metano,ammoniaca e acqua. Risultato: dopo circa una settimana il 15 % del carbonio ha creato molecole organiche. I procarioti sono organismi unicellulari privi di compartimentazione interna (no nucleo, e organelli cellulari); I primi organismi comparsi sulla terra erano procarioti; Oggi sono presenti in tutte le nicchie ecologiche, anche le piu’ estreme, diversificati in migliaia di specie diverse; Le prime forme di vita furono i microorganismi che come prodotto di scarto producono ossigeno,rendendo l'atmosfera aerobica. I primi organismi fotosintetici:cianobatteri che utilizzano la fotosintesi per la sopravvivenza scartando ossigeno a partire da anidride carbonica. I PROCARIOTI Sono formati da una membrana plasmatica,una parete esterne e il DNA si trova libero nel citoplasma,non ha mitocondri ma ha ribosomi,sede della sintesi delle proteine. Possono essere bacilli,cocchi spirilli. La forma di un organismo è un adattamento alla funzione, proprio come avviene nelle proteine. I batteri si riproducono per scissione binaria,che è una modalità di riproduzione asessuata. Il DNA si ancora a un punto della membrana plasmatica, si duplica (meccanismo simile a tutti gli organismi). Il DNA batterico è un unico DNA circolare e quando si duplica avremo 2 DNA circolari identici alla cellula di partenza. Il processo è molto rapido, dura circa 20 minuti. Hanno una crescita esponenziale e si duplicano molto velocemente e producono due cellule identiche alla cellula madre. VIRUS Non sono considerati viventi, perché non sono cellule,ma aggregati di macromolecole; Non possono riprodursi al di fuori delle cellule che li ospitano; Non sono in grado di produrre energia; Essi tuttavia si impegnano in processi riproduttivi e sono soggetti a processi evolutivi; Essi contengono un solo tipo di acido nucleico; DNA oppure RNA, mai entrambi; I virus sono specie- specifici,ma in seguito di mutazioni possono effettuare un salto di specie (virus influenza aviaria). I virus hanno proteine sulla superficie esterna per il riconoscimento e l'accesso alla cellula ospite(recettore -ligando) questo è possibile grazie alle mutazioni. IPOTESI EVOLUTIVA DEI VIRUS Sono "frammenti di informazione biologica " avvolti da un involucro proteico probabilmente generati da genomi di organismi procarioti o eucarioti pre-esistenti,un certo virus non potrebbe esistere se non esiste già il suo organismo ospite Mimetismo molecolare. Nel corso dell'evoluzione in seguito alla comparsa del genome virale di mutazioni che hanno alterato la struttura della proteine del capside, sono stati selezionati virus che presentavano una somiglianza sempre maggiore con i «ligandi» fisiologici di «recettori» presenti su specifici tipi cellulari. Tutti gli organismi viventi hanno come unità funzionale la cellula. Cellula procariota: organismi unicellulari (batteri, archei). cellula eucariota :organismi pluricellulari(Funghi, Piante,Animali) ORIGINE DEI MITOCONDRI Evoluzione della cellula eucariotica a partire da un procariote ancestrale. Teoria dell embiosimbiosi Prove: 1)Hanno una doppia membrana; 2)Esiste un DNA mitocondriale provo di istoni; 3)Sono semiautonomi (capaci di dividersi per scissione binaria). Metazoi:Divisione sistematica di Metazoi, comprendente tutti gli animali pluricellulari che, superato lo stadio di blastula. RIASSUNTO BREVE CELLULA E ORGANULI MEMBRANA PLASMATICA La membrana plasmatica è formata da fosfolipidi,proteine trasportatrici,colesterolo per la fluidità e carboidrati che fungono da recettori. É semipermeabile e consente il passaggio selettivo delle sostanze. Le proteine fungono da recettori,trasportatori,enzimi e da ancore. MEMBRANA NUCLEARE Presenta dei fori per il passaggio dell'RNA messaggero. Contiene il DNA della cellula. É una doppia membrana. MITOCONDRI La forma è direttamente correlata alla funzione. Sono formati da una doppia membrana plasmatica. La membrana interna presenta delle creste, ciò è funzionale perché si aumenta la superficie per il posizionamento delle proteine per la produzione di ATP. Sono la sede della respirazione cellulare,quindi alla produzione di ATP e contengono DNA circolare che fa ipotizzare un origine procariotica. Hanno una dimensione di 1-2 micrometri. I mitocondri sono gli unici organuli che sono in grado di dividersi per scissione binaria. RIBOSOMI Sono formati da due subunitá proteiche. Sono il luogo della costruzione delle proteine. t-RNA e m-RNA collaborano all'interno del ribosoma con il sistema codone-anticodone per il riconoscimento dell'amminoacido e la costruzione della catena peptidica. Si assemblano nel nucleolo e passano nel citoplasma dove restano libere,hanno una dimensione di 20 nm. RIBOSOMI Sono formati da due subunitá proteiche. Sono il luogo della costruzione delle proteine. t-RNA e m-RNA collaborano all'interno del ribosoma con il sistema codone-anticodone per il riconoscimento dell'amminoacido e la costruzione della catena peptidica. Si assemblano nel nucleolo e passano nel citoplasma dove restano libere,e hanno una dimensione di 20 nm. Nel citoplasma il ribosoma comincia a tradurre la proteina trasformando gli amminoacidi in catene peptidiche. RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO È formato da un insieme di tubuli interconnessi e le sue attività derivano dagli enzimi. É privo di ribosomi. La sua funzione è la sintesi dei lipidi,la demolizione dei farmaci e l'accumulo di ioni calcio. Il REL collabora insieme al RER e al golgi per la sintesi di nuove membrane. Nelle gonadi abbiamo delle cellule con un REL attivo dove avviene : -sintesi di ormoni come testosterone,estrogeni e progesterone. Nel surrene produce ormoni cortico-surrenali -Fegato:detossificazione di composti organici che avviene nel REL degli epatociti,(etanolo e barbiturici). RETICOLO ENDOPLASMATICO RUVIDO É formato da un insieme di tubuli che contengono ribosomi e collabora alla sintesi e al trasporto di proteine attraverso vescicole. Sintetizza le proteine e le modifica con la glicosilazione,solfatazione e ripiegamento. La sua funzione è quella di far maturare la proteina. RETICOLO SARCOPLASMATICO Rilascio di calcio nei muscoli. L'APPARATO DI GOLGI Ha la funzione di rielaborare, selezionare ed esportare i prodotti del reticolo endoplasmatico. È un organello membranoso formato da dischi membranosi appiattiti,chiamati saculi. LISOSOMI Sono la sede della digestione delle sostanze di scarto della cellula. AUTOFAGIA É un sistema di autodemolizione di parti non funzionanti o invecchiate di cellule. PEROSSISOMI Tramite ossidasi e catalasi trasformano l'acqua in acqua ossigenata per digerire parassiti o agenti non voluti dalla cellula,e le parti degli scarti vengono riciclate. CITOSCHELETRO È lo scheletro della cellula, tramite proteine come actina,miosina e tubulina,forma tubuli che servono al sostegno,al trasporto e alla divisione cellulare. Reticolo di microtubuli, microfilamenti, e filamenti intermedi distribuiti nell’intero citoplasma.  - La cellula è più debole e, quindi, riceve più danni dalle radiazioni durante la divisione cellulare. Il DNA è protetto dagli stoni, ma durante la duplicazione si divide ed è più libero. - Se la cellula viene colpita da radiazioni e avviene una mutazione del DNA, la mutazione può essere condivisa, ovvero non scompare con la morte della cellula poiché trasmesso alle cellule glie, a di erenza di una mutazione alle proteine che può causare la morte cellulare, ma la mutazione non verrà trasmessa. - Le varie mutazioni date dalle radiazioni possono essere positive o negative. - Come mai le cellule, durante l’evoluzione, sono rimaste piccole? - Come ben sappiamo le cellule non sono visibili ad occhio nudo, salvo qualche ecezione ( es: uovo di gallina ). Questo perché più cellule piccole unite, rispetto ad una grande, hanno più super cie esterna, e una rapporto super cie/volume, maggiore. Anche per la qualità della vita, poiché i tempi sono più veloci. Inoltre con più membrane sono presenti più proteine che mantengono l’omeostasi. - OMEOSTASI (Bernard, 1800) —> venne osservato il fenomeno la prima volta nel 1800. In molte cellule mantiene la concentrazione chimica di ioni e molecole relativamente stabile ( dal greco = stessa ssità). È un lavorio continuo, uno stato di equilibrio che va mantenuto costantemente attraverso i meccanismi autoregolatori. IL NUCLEO - É rivestito da doppia membrana nucleare plasmatica,ha il ruolo di contenere il DNA che contiene le informazioni. - Il DNA è organizzato in unità trascrizionali dette geni, i quali trascrivono per delle proteine speci che. - Il DNA si avvolge attorno a proteine istoniche ( istoni ). - Nel nucleo avviene la sintesi dellrRNA e l'assemblaggio dei ribosomi. - Il DNA in alcuni momenti si condensa diventando cromosomi (corpo colorato). - Il DNA viene avvolto perché srotolato arriva a 2 m e per via dimensioni della cellula avviene fi fi fi ff fi fi  il compattamento del DNA con l'aiuto degli istoni. - Il DNA è avvolto attorno agli istoni (proteine). In alcuni momenti i lamenti di cromatina (nucleosomi/perle compattati) si condensano nei cromosomi - Presenza del nucleolo che regola la sintesi proteica. - Si dice che la membrana sia in continuità con il RER/REL. - Attaccato alla membrana troviamo il RER che favorisce la sintesi proteica delle proteine presenti nelle sacce del RER (es: ormoni) —> dal RER si staccano delle vescicole che portano le proteine presenti al suo interno al Golgi, che può modi carle. Dal Golgi si staccano altre vescicole per portare le proteine fuori dalla cellula. - A livello del RER vengono sintetizzate le proteine ( es: ormoni ) che poi vengono rilasciati all'esterno tramite vescicole. - Criodecapaggio: tecnica che prevede i congelamento del campione che permette di vedere i pori nucleari. - I pori nucleari ( struttura a ore ) servono a far uscire l’m-RNA, che passa dal nucleo al citoplasma ( protetto da altre proteine ) che poi viene sintetizzato in proteine nel ribosoma —> può essere libero nel citoplasma o attaccato al RER. - Complesso del poro nucleare: di usione libera in canali acquosi che permettono il passaggio di piccole molecole idrosoluboli. - Sotto la membrana esiste una struttura reticolare formata da lamine —> funzione strutturale, punto di aggancio di lamenti di DNA, serve per la disgregazione della membrana durante la profase (depolarizzazione della lamina nucleare , attraverso la fosforilazione) - 1882 Fleming individua la cromatina. - Durante la divisione cellulare(MITOSI),questa sostanza si organizza in corpiccioli allungati e distinti che egli chiama cromosomi ( Cromosoma:corpo colorato ) - Gli istoni sono carichi positivi grazie alla lisina posta all’esterno, questo permette al DNA con carica negativa di legarsi alle proteine. - Nucleosoma: DNA+istoni - Impaccetamento DNA: 1. DNA si avvolge attorno agli istoni creando delle strutture a perle chiamate nucleosomi 2. Istone 1 aggancia il tutto riavvolgendo le strutture a perle e cosi via no ad avere dei corpiccioli condensatissimi di DNA i cromosomi. MITOSI - Una cellula madre si divide in due cellule glie geneticamente identiche. Consente la conservazione e la distribuzione dello stesso numero di cromosomi. Aiuta anche con il mantenimento dei tessuti. fi ff fi fi fi fi fi  - Il ciclo vitale di una cellula si divide in INTERFASE (accrescimento) e MITOSI (divisione e ettiva) - La cellula si divide in base agli stimoli esterni. Quando un segnale, detto mitogeno, tocca il recettore sulla cellula, la mitosi viene attivata. - Fasi mitosi: - La prima cosa che avviene é la duplicazione del DNA, dopo di che si ha la disgregazione della lamina nucleare e si ritrova il materiale genetico nel citoplasma. - Avviene la formazione dei centrioli che vanno a rmare dei centri ai poli della cellula e iniziano a creare le bre del fuso mitotico. - Durante la metafase tutti i cromosomi sono disposti sulla piastra equatoriale e vengono agganciati dal cinetocoro (complesso formato da proteine che aderiscono al centromero). - Durante l'anafase vengono divisi i cromatidi fratelli ai poli opposti ,dopo di che avviene la telofase dove si dividono le due cellule - Fuso mitotico (tubolina)—> diverse bre, alcune si attaccano ai cromosomi, altri si allungano generando una forza meccanica che permette un’ingrandimento della super cie di membrana. Questo aumento permette la replicazione di tutte le altre componenti della cellula. Sono le bre del fuso mitotico che si accorciano per sgretolamento e trascinano mano a mano i cromatidi. La tubolina viene presa dalla degradazione del citoscheletro. - Nei funghi si produce un anello contrattile che strozza la cellula in due. - Nelle piante si forma il solco. - I mitocondri hanno mantenuto la capacità di dividersi da soli ( scissione binaria ), ciò è una prova che derivano da un batterio ancestrale. Inoltre possiedono un proprio DNA CICLO CELLULARE - Il ciclo cellulare si divide in: - G1 —> funzione cellulare, c’è un punto di controllo (dimensione, presenza nutrienti, danni DNA, fattori di crescita). Se presenta qualche fattore sballato —> stato G0: la cellula esce dal ciclo, caratterizza le cellule che non dovranno mai dividersi - S —> sintesi del DNA - G2 —> c’è un punto di controllo ( ne G2) (dimensioni, replicazione DNA completata) - Mitosi —> c’è un punto di controllo (attacco dei cromosomi al fusto) - La mitosi è una fase breve del ciclo cellulare - Le varie fasi sono controllate da un complesso sistema molecolare. - I punti di controllo servono a evitare di far avvenire la divisione cellulare di cellule danneggiate - La fase G0 è una fase di stallo dove la cellula esce dal ciclo cellulare perché non ha bisogno di dividersi (neuroni) o perché ha qualche mutazione - REGOLAZIONE CICLO CELLULARE - Come viene controllato/regolato il ciclo cellulare? Attraverso dei meccanismi. Alcune proteine, chiamate CDK, non funzionano nché la ciclina non viene prodotta tramite la sintesi proteica. Il complesso attivo si chiama CDK ciclina. Questo complesso sblocca la mitosi. Una volta concluso questo processo la ciclina viene degradata. fi ff fi fi fi fi fi fi  - La chinasi (enzima che fosforila(CDK)) è ciclina dipendente - Le CDK hanno bisogno della ciclina. Quando arriva il segnale per l'avvio della mitosi, viene prodotta la ciclina che forma un complesso con il CDK, che sposta il blocco della mitosi e la fa avviare. - Per degradare la cilcina, essa espone una catena di amminoacidi, poiché legandosi al complesso CDK cambia struttura. Un complesso enzimatico ne riconosce la struttura e degrada solo la ciclina. - La CDK restante viene riutilizzata. - MORTE CELLULARE PROGRAMMATA - Cosa succede se i punti di controllo bloccano una cellula? Avviene il processo di apoptosi —> processo siologico, della cellula destinata al suicidio, senza danni alle cellule adiacenti. Inoltre si formano dei corpi apoptotici che vengono fagocitati dai macrofagi. I resti della cellula possono essere riutilizzati. Può avvenire anche il processo di necrosi —> forte livello di in ammazione, la cellula si rompe e rilascia tutto il suo contenuto nell'ambiente circostante causando in ammazione. fi fi fi  - TIPI DI CELLULE - Cellule perenni —> non compiono più il ciclo dopo la di erenziazione - Cellule stabili —> non compiono più il ciclo, ma possono continuarlo - Cellule staminali —> continuano il ciclo CELLULE STAMINALI - Dopo la mitosi troviamo due cellule identiche, ma recentemente si è scoperta la mitosi asimmetrica, ovvero una diversa divisioni delle componenti cellulari (tipiche delle cellule staminali). Una cellula glia mantiene il potenziale di di erenziamento, mentre l'altra si di erenzia subito. - Cellule staminali possono essere - Unipotenti —> danno origine ad un solo tipo di cellule - Totipotenti —> danno origine a più tipi di cellule - Quelle del midollo osseo sono multipotenti - Cellule staminali nel sistema nervoso —> presenti, ma il potenziale non basta perché deve essere istruito - RIPRODUZIONE: - Asessuata —> mitosi, scissione binaria - Sessuata —> Meiosi MEIOSI - Genera 4 cellule glie diverse con metà corredo cromosomico (aploide) - Un corredo cromosomico completo viene chiamato diploide - Fasi: - Profase 1—> avviene il crossing over (scambio genetico tra cromosomi) - Telofase 1—> avviene la formazione di 2 cellule diploidi - Alla ne della meiosi otteniamo 4 cellule aploidi ff fi fi fi ff ff Biologia LEZIONE 3 SPERMATOGENESI La SPERMATOGENESI è quel processo che da origine agli spermatozoi. Lo SPERMATOGONIO è una cellula che normalmente si divide per mitosi, ad un certo punto alcune di queste cellule di erenziano ed entrano in mitosi 1, prendendo il nome di spermatociti primari e la condizione dello spermatocita primario corrisponde alla Profase della Meiosi 1. Dopodiché avviene il normale processo di meiosi 1 alla ne della quale avremo degli spermatociti secondari. Le due cellule che si generano alla ne della Meiosi 1 sono già aploidi, perché i cromatidi non si sono separati. Solo con il completamento della Meiosi 2 si otterranno le 4 cellule aploidi che prendono il nome di spermatidi. Successivamente gli spermatidi andranno incontro ad un ulteriore di erenziamento per diventare spermatozoi. Dal punto di vista della divisione del materiale genetico si parte da una cellula 2n e alla ne di tutto il processo di Meiosi si otterranno 4 cellule aploidi. La spermatogenesi è un processo continuo, che inizia nella pubertà e dura per tutta la vita. È un processo che dura circa 64 giorni che vede una regolare continua produzione di gameti. Questo processo viene regolato da degli ormoni, le gonadotropine (ormone luteinizzante) le quali sono prodotte in regioni lontane, una nell’ipotalamo e l’altro nell’adenoipo si, ma attraverso i tubi corporei raggiungono alcune cellule speci che che si trovano nel testicolo, le quali saranno stimolati a produrre testosterone. Il testosterone è l’ormone maschile che dirige il processo di spermatogenesi, inoltre fa in modo che altre cellule producano una sostanza chiamata inibina che va a reagire sull’adenoipo si interrompendo l’attivazione. Questo processo viene chiamato feedback negativo. Il feedback positivo invece consente di accelerare o intensi care un processo in seguito agli stimoli ricevuti. OVOGENESI L’OVOGENESI è il processo di produzione delle cellule uovo femminili. Avviene nelle ovaie e si ripete con andamento ciclico (il processo dell’ovogenesi è discontinuo) Già nella vita embrionale si formano gli ovogoni (cellule a corredo cromosomico completo). Il passaggio da ovocita primario a ovocita secondario prevede una divisione identica per quanto riguarda la suddivisione del materiale genetico, ma asimmetrica per tutto quello che sono le componenti cellulari, quindi in sostanza si genera un solo ovocita secondario e un corpo ovulare. I gameti vengono prodotti ciclicamente ogni 28 giorni poi l’ovocita che non viene fecondato viene eliminato con il ciclo mestruale. Il ciclo si interrompe con il sopraggiungere della menopausa. Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400 ovociti secondari (potenziale per dare origine a prole). Questi ovociti invecchiano con l’età della donna, questo aumenta il rischio di errori nella meiosi. ff fi fi fi fi ff fi fi fi  Tipi di errori che possono essere associati alla meiosi DI DISGIUNZIONE Alla ne della meiosi 2 avviene la separazione dei cromatidi. Questo processo di disgiunzione è critico, se non funziona correttamente può accadere che una di queste cellule aploidi abbia un cromosoma in più e una un cromosoma in meno. Questo difetto prende il nome di aneuploidia. Per aneuploidia de niamo un corredo cromosomico diverso da 2n. Non per forza la cellula che ha un cromosoma in più o uno in meno sarà quella fecondata. fi fi In alcuni casi si hanno delle sindromi. Gli ultimi studi hanno dimostrato che siano proprio gli ovociti, proprio perché invecchiano, ad essere in qualche modo un po meno e cienti nell’ultima fase di meiosi, quindi tendono ad avere un cromosoma in più o un cromosoma in meno. Analizzando una serie di aborti spontanei si è visto che nella maggior parte dei casi sono presenti delle aneuploidie, però qui in qualche modo, in quanto sono errori gravi, avviene un processo di selezione naturale. I CROMOSOMI UMANI Con il termine cariotipo si indica, in citogenetica, la costituzione del patrimonio cromosomico di una specie dal punto di vista morfologico Il citogenetista analizza il cariotipo e ordina i cromosomi in coppie, allineandoli in base a dimensione e morfologia. L’utilità è quella di poter riconoscere i vari cromosomi e di allinearli. Viene fatto tutto questo per evidenziare delle eventuali grosse anomalie cromosomiche. cromosomi metacentrici —> centromero più o meno a metà cromosomi submetacentrici —> quando vi è una grande sproporzione tra la regione nelle braccia corte e quella delle braccia lunghe cromosomi acrocentrici —> sono formati da dna abbastanza condensato nelle zone satellite e connesse alla zona centromerica da una regione che viene chiamata peduncolo. Queste sono le regioni deputate alla sintesi dell’rna ribosomiale, quindi contengono quello che viene chiamato nor (nucleolus organizer regions) che è l’organizzatore nucleolare che va a formare il nucleolo. ffi Curiosità: il numero dei cromosomi varia da specie a specie, ma non c’è un aumento del numero di cromosomi associato a un trend evolutivo. —> Se volessi analizzare il mio cariotipo partirei dai globuli bianchi. TECNICA FISH ( uorescent in situ hybridization) Ha sempre lo scopo di generare un cariotipo, ma in questo caso vengono sfruttate le caratteristiche del dna. Quando si parla di ibridazione, riguardo agli acidi nucleici, si fa riferimento all’apertura di un dna che poi lo si fa appaiare di nuovo per complementarietà con una sequenza che decidiamo noi. Immaginiamo di far sintetizzare in laboratorio una piccola sequenza così da poterla appaiare a una precisa sequenza di cromosoma. Questo piccolo oligonucleotide (piccola sequenza) deve essere collegato a un uoroforo, ovvero una sostanza che se poi eccitata emette una uorescenza (è comunque necessario uno strumento che rilevi la uorescenza). Il dna per le sue caratteristiche intrinseche di appaiamento con legame a idrogeno (legami deboli), può essere denaturato con il calore o con sostanze molto basiche, e quindi essere forzato ad aprirsi. Il dna, quando aperto, si appaierà con il lamento che trova a disposizione. Questo perché non è in grado di riconoscere qual è il lamento più grande o quello più piccolo. Essendo questi lamenti più corti sono avvantaggiati nell’appaiamento perché si inseriscono nelle zone del dna che viene aperto. fi fl fl fi fl fi fl  Quali sono le utilità di analizzare il cariotipo? Si può fare un’analisi prenatale in caso di sospetto di patologie importanti, come nel caso di malattie genetiche, Si può procedere con: —>la villocentesi, prelievo di villo coriale, c’è sempre un rischio quando si interviene, si prelevano delle cellule fetali e viene eseguita un’analisi del cariotipo. —>amniocentesi, fatta intorno alla 15esima settimana, rischio di aborto più basso in quanto l’embrione è più formato. —>cordiocentesi, è quella a maggiore rischio, prevede il prelievo di cellule del cordone. Cosa si individua con l’analisi del cariotipo? Possiamo individuare delle anomalie che possono essere: -di numero (ANEUPLOIDIE) —> conseguenza di errori di segregazione dei cromosomi durante la formazione dei gameti. -di struttura —> conseguenze di rotture cromosomiche. Per esempio, abbiamo visto che gli e etti delle radiazioni possono portare a rotture cromosomiche, quando accade si hanno solitamente dei tumori o anomalie molto serie. ANEUPLOIDIE Ricordiamo che per aneuploidia intendiamo un corredo cromosomico diverso da 46. La maggior parte di aneuploidie sono incompatibili con la vita, ma vi è qualche eccezione: Sindrome di Down o trisomia 21 Deriva da un processo di aneuploidia, qua non c’è stata una separazione del cromosoma 21 e quindi alcuni ovociti si sono ritrovati una copia in più di questo cromosoma. Ha una frequenza di circa 1 ogni 850 nascite e il rischio del nascituro di presentare questa sindrome aumenta con l’aumentare dell’età materna. Conformazione del volto particolare, presentano ritardo mentale, cardiopatia e tendenza al diabete. Sindrome di Turner 1 ogni 2500 nascite È l’unica monosomia vitale, cioè è una malattia genetica associata a una mancanza di cromosoma e pare non sia legata all’età materna, ma che ci sia un’errore nella meiosi paterna. Individui caratterizzati da una bassa statura, sterilità, qi normale, anomalie renali e un caratteristico collo palmato. Sindrome di Klinefelter Aneuploidia in eccesso, qui vi è un’errore di disgiunzione che porta ad avere un cromosoma X in più. Individui sono caratterizzati da sterilità, ginecomastia (sviluppo eccessivo del seno) e qi normale o appena sotto la media. Aumento di rischio legato all’età materna. ff ANOMALIDE DI STRUTTURA Conseguenze di rotture cromosomiche Non sono compatibili con la vita, se ci sono, sono presenti no all’età embrionale, quindi la formazione dello zigote rimane un’eccezione. Che tipo di anomalie riconosciamo? Si possono osservare a livello dei cromosomi. In questo schema le lettere indicano delle porzioni di dna che corrispondono a dei geni. -delezione —> rottura di uno o più cromosomi e conseguente perdita della porzione deleta. -duplicazione —> eccesso di duplicazione, in questo caso 3 geni in doppia copia -inversione —> ci possono essere delle anomalie nell’ubicazione dei geni Le delezioni cromosomiche sono per lo più incompatibili con la vita perché la delezione di un determinato cromosoma la si ritroverà in tutte le cellule. Se l’individuo a livello di zigote già presenta una delezione di un cromosoma e questa dovesse essere compatibile con la vita, avremo una sindrome complessa, ma ci sono pochissimi esempi. Uno di questi vede la delezione di una porzione del cromosoma 5. sindrome Cri-du Chat Delezione del cromosoma 5. Viene detta pianto del gatto perché la voce dei neonati ricorda il pianto del gatto. Individui caratterizzati da grave ritardo mentale, ritardo nella crescita e questo miagolio. 1 ogni 50000 nascite. Microtopogra a dei cromosomi sessuali Il cromosoma X contiene circa 1000 geni, mentre il cromosoma Y circa 34 geni. Si è visto che il trend evolutivo della specie umana del cromosoma Y è quello di ridursi. È evidente che visto così se gli individui di sesso femminile hanno 2X e gli individui di sesso maschile hanno XY, dovrebbe esserci un vantaggio evolutivo. Cosa troviamo sul cromosoma Y? Pochi geni, ma in particolare il gene SRY che è un gene che controlla il di erenziamento sessuale. fi ff fi  Di erenziamento maschile o femminile Quando parliamo di di erenziamento maschile o femminile, facciamo riferimento alla formazione dello zigote. Si è visto che vi è un momento durante il di erenziamento embrionale in cui coesistono in contemporanea gli abbozzi degli organi genitali femminili e degli organi genitali maschili. Nelle prime 6 settimane di vita esistono due strutture una denominata dotto di Milner e una dotto di Wol Dotto di Milner destinato a dare origine alle gonadi femminili Dotto di Wol destinato a dare origine agli organi genitali maschili. Come vengono eliminati questi dotti? È stato visto che regrediscono per meccanismo di apoptosi. Probabilmente il fatto di avere entrambe gli abbozzi è una necessità di salvaguardia della specie. Il gene SRY codi ca per un fattore di trascrizione che si chiama fattore di determinazione testicolare (TDF=testis determinino factor) e chiaramente questa proteina è molto prodotta nei tessuti fetali, mentre nell’adulto la si trova soltanto nel testicolo. L’SRY è anche responsabile della produzione di testosterone che è un ormone steroideo androgeno. DOSAGGIO GENICO Le femmine pur possedendo due copie del cromosoma X non producono quantità doppia rispetto ai maschi. Esiste un meccanismo di compensazione del dosaggio genico. Uno dei due cromosomi X viene inattivato, dunque alla ne sia gli individui di sesso maschile che gli individui di sesso femminile hanno lo stesso numero di geni attivi. Quale cromosoma X viene inattivato? Si chiama corpo di Barr ed è visibile perché rappresenta un cromosoma X che si è accartocciato su se stesso, cioè è stato trasformato in eterocromatina. In questa particolare forma di condensazione questo cromosoma X non è accessibile alla trascrizione, di conseguenza gli unici geni che potranno essere trascritti sono quelli dell’altro cromosoma X. Non solo viene trasformato in eterocromatina, ma viene spostato a lato ed addossato all’interno della membrana nucleare. Il cromosoma che viene attivato è completamente casuale. Ma questa scelta avviene molto precocemente durante lo sviluppo embrionale a livello di blastocisti. Avviene indipendentemente in ogni cellula, ma una volta che per una data cellula la decisione è presa, tale verrà mantenuta in tutte le cellule che da essa deriveranno per mitosi. Ogni cellula originaria produce il proprio clone con lo stesso X inattivo. ff f fi ff ff f fi MOSAICISMO FEMMINILE Per gli individui di sesso femminile si parla di mosaicismo femminile. Se uno dei due cromosomi X dovesse essere associato a una malattia genetica gli individui di sesso femminile hanno il vantaggio di poter contare anche sul gene sano. DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE Il gene difettoso è localizzato sul cromosoma X, non produce la proteina distro na. 1 ogni 3000 nascite. Gli individui di sesso femminile non vengono colpiti perché hanno questa possibilità di mosaicismo. fi Lezione 4 MECCANISMI DI DECODIFICA DELL’INFORMAZIONE Nella prima metà del secolo scorso ricercatori si sono chiesti se fossero le proteine o il DNA a contenere l’informazione genetica. Si pensava che l'informazione genetica fosse contenuta nelle proteine dato che sono composte da 20 unità,sembrava impossibile invece che solo 4 nucleotidi potessero codificare tutte le informazioni genetiche di un organismo. Nel 1928 Griffild,che era un medico che faceva studi sui batteri e sulla polmonite, arrivando all’ipotesi del tramite batterio-topo,questo tramite doveva contenere l'informazione genetica. Trasferendo l’informazione genetica e impossessarsi della cellula ospite per potersi riprodurre. ESPERIMENTO DI HERSHEY-CHASE E’ stato l'esperimento definitivo che dimostro’ che l'informazione genetica è contenuta nel DNA e non nelle proteine. Metodo dell’infezione virale a carico di batteri,procarioti che possono essere infettati da batteriofagi(virus). Marcando componenti biologici con materiale radioattivo permette di evidenziare parti di organismo. Vennero eseguiti due esperimenti in parallelo: 1)Vengono marcate le proteine del capside con zolfo radioattivo 35(che si trova nelle proteine ma non nei nucleotidi perciò è capace di legare le proteine marcandole),per marcare selettivamente le proteine. Il tutto viene centrifugato per vedere quale parte fosse entrata nei batteri, dato che sul fondo(pellet) si depositano i batteri mentre sulla superficie restano i virus. Nei batteri stratificati sul fondo non era presente il radioattivo ciò significa che non è la parte proteica che è stata iniettata. Venne dunque effettuato un nuovo esperimento per verificare la veridicità della prima ipotesi marcando il DNA virale. 2)Nel secondo esperimento quindi venne utilizzato il fosforo 32 capace di marcare il DNA,questo radioattivo è formato da fosfati e permette di separare la componente nucleotidica dalla componente proteica. Dopo di che fecero venire un infezione, unendo i fagi e i batteri, successivamente centrifugati ottenendo il radioattivo sul pellet, ovvero la parte batterica , ciò andava a confermare l'ipotesi dell'informazione genetica contenuta nel DNA e non nelle proteine. STRUTTURA DEL DNA La comprensione della struttura del dna avviene grazie a: Riuscirono a capire la struttura del DNA e come si potevano organizzare le catene nucleotidiche dal punto di vista chimico. Tramite diffrazione dei raggi X (Franklin),che colpivano la materia si ottenne una figura della struttura molecolare che poteva impressionare una lastra fotografica(dovuta allo spostamento di elettroni),utile per capire l'organizzazione atomica delle strutture. Si ottenne dunque una sorta di x che fece intuire una struttura ad elica , ed è così che si arrivò alla scoperta della disposizione dei nucleotidi. La scoperta della struttura del DNA è dovuta quindi a diversi ricercatori che nel tempo sono riusciti ad arrivare alla struttura che oggi conosciamo. Ci possono essere differenze nelle basi nucleotidiche dovute a mutazioni,errori durante la replicazione. Mutazioni importanti porterebbero al danneggiamento proteico. Il DNA è formato da doppi filamenti antiparalleli e opposti.(terminale 5’ gruppo fosfato)(terminale 3’ OH). Ad ogni giro di elica ci sono 10 coppie di basi. Se il DNA fosse legato covalentemente sarebbe difficile la replicazione, perciò il DNA e’ formato sia da legami forti che deboli (idrogeno) per poter replicare il DNA. Acidi nucleici:Costituiti da base azotata, zucchero pentoso,e gruppo fosfato. Le basi azotate sono: -purine=adenina,guanina. -pirimidine=timina,citosina,uracile. Tra adenina e timina =2 legami a idrogeno Tra guanina e citosina=3 legami a idrogeno La quantità di purine è uguale alla quantità di pirimidine(regola di Chargaff), ed è la sequenza che va a dire quale proteina sarà codificata. Il modello proposto da Watson e Crick, basato sulla complementarietà delle basi è in accordo con quanto osservato da Edwin Chargaff nel 1950: (in tutti i DNA %A=%T; %C=%G) Prefigura genialmente una modalità di Replicazione semiconservativa che verrà poi sperimentalmente dimostrata da Meselson e Stahl nel 1958. Watson e Crick costruirono un modello alto più di un metro per studiare le possibili interazioni e arrivare così al modello della doppia elica. Questo a loro fece intuire il fatto che il DNA potesse aprirsi, duplicarsi e la possibilità di sapere che il DNA si duplica in un modo semi-conservativo. Le teorie erano più di una: Grazie alla debolezza dei legami idrogeno il DNA si può aprire il DNA si lega ,l'RNA-polimerasi che replica il DNA. A questa scoperta siamo arrivati grazie all'esperimento di Stahl,che utilizza l'esistenza di isotopi e la centrifuga. Utilizzò isotopi dell'azoto 15 (pesante), il sistema utilizzato era quello dei batteri perché si duplicano molto rapidamente. Fecero crescere batteri in presenza di azoto pesante dopodiché fecero una centrifugazione di densità del DNA, che funziona per peso molecolare che utilizza il cloruro di Cesio ,questo serve a far precipitare le molecole più pesanti sulla base della provetta. Sfruttando questa tecnica e marcando il DNA, quando tutto il DNA dei batteri veniva marcato con l'azoto pesante si formava un unico anello nel punto di stratificazione,che era il DNA pesante,il fatto che fosse un'unica banda escludeva la replicazione dispersiva, perché lo fosse stata sarebbe apparsa più di una banda a seconda del diverso peso molecolare. I ricercatori tolsero il terreno di cultura pesante e portarono i batteri in coltura con azoto 14, fecero avvenire una duplicazione e poi una centrifugazione e videro che il DNA si stratificó un unica banda nella porzione più alta,ciò stava a significare che il DNA era più leggero. Per poter vedere il DNA bisogna eccitarlo, perciò è stato sottoposto a raggi UV. Fecero un'altra cultura della seconda generazione con azoto 14,si lasciò avvenire un altra replicazione e si vide il permanere di una forma media e la comparsa di un'altra forma più leggera,quindi nella prima replicazione c'erano solo molecole ibride(un filamento parentale e uno di neo-sintesi),perciò si vedeva un unica banda ,e si capì che la replicazione è semiconservativa. La seconda generazione aveva una metà di materiale ibrido e una metà di materiale più leggero. COME AVVIENE LA DUPLICAZIONE? L'elica tramite elicasi si apre , il primer è una base nucleotidica che serve da aggancio per l'inizio della replicazione tramite la DNA-polimerasi (che funziona solo legandosi al gruppo OH 3' del nucleotide precedente), perciò ha bisogno del primer. Quando l'RNA-polimerasi sbaglia, l'enzima Esonucleasi (taglia via il nucleotide sbagliato), ripara gli errori della polimerasi: questo è il primo sistema di correzione che ci previene dalle mutazioni. La duplicazione è diversa nei procarioti perché abbiamo un unico filamento circolare che si replica rapidamente (20 min). Negli eucarioti avviene tramite bolle di replicazione ,il DNA si apre in vari punti e si ha la formazione dei repliconi che si legano tramite DNA-ligasi che uniscono i vari pezzi di DNA. A livello molecolare è difficile da aprire , che avviene tramite elicasi che forza le due eliche e le obbliga ad aprirsi, con l'aiuto di proteine capaci di legare il DNA a singolo filamento, che stabilizzano la forcella di replicazione per farla rimanere aperta. RNA-primasi genera una corta sequenza di RNA che si appaia perfettamente nel punto dove il DNA dovrà essere duplicato, e funge da primer e inizia la sua azione di polimerizzazione,che va a formare un polimero. L'unica direzione possibile per l'RNA-polimerasi si è 3'5' perciò una delle due RNA polimerasi deve tornare indietro per sintetizzare l'altro filamento di DNA 5'3' , viene chiamato,filamento in ritardo ,che viene replicato tramite frammenti di Okazaki che poi vengono legati insieme grazie a una DNA-ligasi. Poi l'innesco della RNA-primasi si stacca e rimane una zona vuota ,ciò implica l'accorciamento del DNA che avviene sistemato tramite la telomerasi che è un sistema di controllo contro l'accorciamento del DNA e possibili mutazioni dannose. La telomerasi è in grado di replicare la parte mancante per la conservazione della specie. L'appartamento non perfetto crea una distorsione del DNA e così viene chimicamente riconosciuto da proteine che vanno a fare il controllo. Telomeri e telomerasi I telomeri sono la parte finale dei cromosomi. La telomerasi è in grado di codificare , contiene una sequenza di basi ricche di Guanina, che non servono a niente se non all'impedimento dell'accorciamento del DNA in parti importanti. Ciò accade nelle cellule giovani. Subito dopo il DNA, venne caratterizzato anche un altro acido nucleico presente in tutti gli organismi viventi: RNA acido ribonucleico e ne vennero chiariti i vari ruoli nei processi di TRASCRIZIONE e TRADUZIONE. RNA RNA è una molecola a singolo filamento, i nucleotidi sono simili ma hanno la differenza nello zucchero ribosio nell'RNA e il desossiribosio nel DNA. Al posto della timina abbiamo l'Uracile. RNA tende ad attorcigliarsi e la sua struttura viene mantenuta da proteine. Questa molecola ha la capacità di denaturazione e rinaturazione,ciò ha dato un impulso importante nella ricerca,amplificazione del DNA in provetta PcR. Il sistema della complementarietà fa sì che si possa applicarsi , anche forzando l'apertura e aggiungendo un sequenza di nucleotidi che si può legare nel punto di complementarietà. Se bolliamo il dna nel sale 10 millimolare di sale, le due eliche si denaturano,lasciandolo raffreddare le due eliche si riappaiono completamente. Mullis ha scoperto la PCR (polimerasi più filamento di dna ci sarà una replicazione esponenziale). Quale enzima lavora a 95 gradi? Taq polimerasi, che deriva da un batterio che lavora in condizioni estreme ,dai quali viene estratto il gene della taq polimerasi(thermophilus aquaticus). Premio Nobel per la taq polimerasi : Caratteristiche del DNA dogma centrale. DNA->mRNA->proteina Unica eccezione sono i virus a RNA, retrovirus che hanno la trascrizione inversa. TRASCRIZIONE Tratti di dna codificano per proteine, unità trascrizionale , chiamati geni, che vengono trascritti in RNA messaggero, in questo caso l'rna permette di leggere il dna che poi verrà decodificato a livello del ribosoma. Meno del 2% del DNA codifica per proteine, il 98 % è un DNA spazzatura che non serve a nulla. Diminuzione del DNA codificante,perché? L'RNA-polimerasi riconosce RNA promotore e si lega alla parte del gene per avviare la trascrizione. Il trend evolutivo è andato in un aumento di DNA non codificante rispetto al DNA codificante. Nei procarioti abbiamo un unica RNA polimerasi che trascrive sia RNA ribosomiale, sia mRNA sia RNA transfer. Tata box: sequenze riconosciute da proteine ,fattori di trascrizione che fanno sì che la decodifica avvenga. Si forma un complesso di inizio della trascrizione che può vedere l'utilizzo anche di 30 proteine che sono specifiche del tessuto o generali, si legano al DNA e questo complesso va ad avviare la trascrizione di uno dei due filamenti. Può avvenire su uno dei due filamenti ma mai su entrambi. La trascrizione vera e propria prevede una differenza nelle sequenze iniziali da procarioti ad eucarioti. Nei procarioti si replica la parte senza il processamento,trascritto dando origine a RNA messaggero liberato nel citoplasma Quello eucariotico viene processato con l'aggiunta di un CAP (corretto riconoscimento per il ribosoma), una coda di poli-A ,che servono a stabilizzare le molecole di RNA. Negli eucarioti avviene il processo di maturazione del DNA. Pre-mRNA :trascritto primario che dovrà subire uno splicing che farà maturare l'RNA maturo solo allora potrà uscire dai pori nucleari. Lo splicing :il trascritto primario formato da esoni e introni(non codificanti),processo di taglia e cuci che lascia solo gli esoni. Il vantaggio di avere 3 esoni e non uno solo, avviene grazie allo splicing alternativo che la cellula può scegliere quale utilizzare per prodotti proteici diversi a partire da un trascritto primario. Spliceosoma(formato anche da small nuclear RNA). Tropomiosina É una proteina che blocca l'interazione tra le teste di miosina e l'actina nel muscolo a riposo, impedisce il movimento. In altri tessuti è richiesta una diversa tropomiosina per diverse funzioni. Homo sapiens N° totale di circa geni: 25.000 circa; Se un gene=una proteina; dovremmo essere fatti di solo 25.000 diverse proteine; Almeno 50% dei ns geni subisce splicing alternativo ; Le numerose varianti di splicing aumentano grandemente (almeno 10x) il repertorio di prodotti proteici; Probabilmente nelle nostre cellule ci sono parecchie centinaia di migliaia di proteine diverse. TRADUZIONE Sintesi di un polipeptide sulla base delle informazioni date dall’m-RNA. Si passa da catena nucleotidica a catena polipeptidica. Nella traduzione sono coinvolti: -m-RNA; -Ribosomi (r-RNA +proteine); -t-RNA. sirna miRNA: Sono una serie di piccoli rna che vengono trascritti dal 98% del DNA """spazzatura"""", grazie alla tecnologia si possono leggere tutti i DNA del DNA umano. Solo l’1,5% circa del genoma umano codifica per proteine. Una piccola frazione codifica per l’RNA ribosomiale e per l’RNA transfer. Uno studio del 2012 ha dimostrato che il 75% del DNA umano viene trascritto prima o poi. Gli introni rappresentano soltanto una piccola frazione rispetto a tutto l’RNA trascritto, ma non tradotto. Le cellule trascrivono tantissime quantità di DNA non codificante che viene studiato in una nuova era. Si sta scoprendo che il DNA ha la capacità di decedere l'espressione genica,influenzando la specie. I miRNA sono lunghi 20ina di basi , e DNA interferenti, uno di questi funziona nella regione centromerica che sono in grado di formare una doppia elica di RNA ,dalla quale vengono prodotte proteine che vanno ad appaiarsi alle stesse sequenze che li hanno generati. Da qui si provoca un enorme compattazione del DNA. Corpo di Bar È uno dei due cromosomi X che viene trasformato in eucromatina, qui ci sono questi rna che vanno a richiamare proteine che tramite metilazione e introni vanno a compattare il cromosoma X , così uno dei due cromosomi viene compattato. IL RIBOSOMA La decodifica finale avviene a livello del ribosoma formato da due subunità che è in grado di leggere RNA ribosomiali a 3 a 3. I ribosomi hanno bisogno di RNA ribosomiale e proteine per la loro struttura. 61 codoni, 3 di stop, negli anni 60 si scopre che si leggono da 3 a 3. La terza base è ridondante e il significato non cambia,permette un margine di errore. Triplette importanti codone di stop servono a interrompere la sintesi proteica. RNA di trasferimento (tRNA)a forma di trifoglio in grado di legare in maniera covalente per ogni amminoacido, dall'altra parte si ha un anticodone nell'RNA messaggero. 20 diversi t-RNA uno per ogni amminoacido. Non sono ammessi errori perché porterebbero a errori nella struttura della proteina sintetizzata che non funzionerebbe. Codoni di stop:non codificano per nessun amminoacido,sono solo segnali di stop traduzione,rilasciano i fattori di rilascio. Il capping serve per l'aggancio al ribosoma in corrispondenza di una AUG. TRADUZIONE RIBOSOMIALE 1) Un mRNA viene trascritto dal DNA; 2) l’mRNA si porta dal nucleo ai ribosomi; 3) Ai ribosomi giunge l’RNA messaggero, con la sua sequenza di nucleo- tidi, che formano precise triplette o codoni; 4) Giungono gli RNA di trasporto con gli anticodoni, corrispondenti alle triplette dell’RNA messaggero e si allineano uno di seguito all’altro; 5) All’altra estremità degli RNA di trasporto si vengono a trovare allineati, nell’esatto ordine, gli aminoacidi corrispondenti, che vengono poi legati tra loro nella sequenza precisa per costituire la proteina “X” richiesta dalla cellula. - SINTESI PROTEICA/TRADUZIONE (meccanismo che parte da un mRNA) → meccanismo che, a partire da un mRNA, permette di dare origine ad una proteina. Fa solo riferimento al meccanismo che parte dal RNA Messaggero. - La trascrizione è il processo che precede la sintesi proteica e che da origine ad un mRNA grezzo, che verrà modificato per dare origine a un mRNA maturo. Questo passa dal nucleo al citoplasma. Nel cito- plasma raggiungerà i ribosomi (liberi o attaccati al RER) per dare origine alle proteine (alcune vengono anche modificate). - Rifornisce la cellula di tutti i suoi componenti. Infatti troviamo proteine: - Doppio strato fosfolipidico - Membrana del Golji - In transito nel lume del RE - Nei mitocondri - Sparse nel citoplasma - Inizialmente è la sintesi di una struttura primaria, segue il folding delle proteine. Dopodiché le proteine possono ricevere modifiche. Una volta sintetizzate le proteine, avviene la loro differenziazione. - Nei procarioti (batteri) avviene TUTTO nel citoplasma. Inoltre troviamo la presenza di polisomi, ovvero gruppi di ribosomi che vanno sulla stessa molecola di mRNA (molto veloce, lo traducono subito). - Negli eucarioti: hanno una compartimentazione cellulare, che divide la sintesi proteica - DNA si trova nel nucleo → viene prodotto mRNA - Presenza di introni → sequenze non codificanti che si trovano tra gli esoni (tratti di DNA destinati a dare origine ad un dominio proteico) - Esoni → portano informazione - Introni → sono delle sequenze messe in mezzo che devono essere eliminate attraverso il pro- cesso dello splicing. Lo splicing può essere anche alternativo e questa è una risorsa in più, perché da un RNA Messaggero unico e immaturo, si possono originare prodotti proteici finali anche di- versi. - Processi di maturazione - Attraverso il sistema dell’importina (principale sistema di ingresso di proteine nel nucleo), i fattori di trascrizione (nel nucleo), vengono trasportati dal citoplasma al nucleo. - Riconoscono il promotore e promuovono la formazione di mRNA - Formazione sub-unità ribosoma da mRNA, riconosciuto dalla sub-unità minore. Un primo complesso si forma nel citopla- sma. Un tRNA lega la metionina, poi arriva la sub-unità mag- giore e si conclude la formazione del complesso ribosomiale. - Le proteine possono essere sintetizzate o da ribosomi presenti sul RER o liberi (nel citoplasma). - Sul RER → le proteine devono andare nel lume del RER. Il complesso ribosomiale (che si forma nel citoplasma), si lega alla membrana del RER (rugoso per la presenza di ribosomi).  Si legano solo quelli che hanno iniziato a produrre un peptide che è destinato a passare/stare nel lume del RER - Nel citoplasma → vengono prodotte proteine che servono alla cellula, in altri compartimenti - Nel lume del RER → la proteina sintetizzata solo per i primi 20-22 aa (idro- fobici), diventa una sequenza segnale. Le proteine che iniziano la propria sintesi con una sequenza precisa, danno il segnale al ribosoma che devono essere traslocate nel lume. - La sequenza viene riconosciuta da una task force di proteine, in partico- lare dalla SRP (signal recordation particle. Formata da varie componenti, tra cui un RNA non codificante, che ha la funzione di organizzare il com- plesso, interagendo con le varie componenti), la quale instaura dei le- gami H con il segnale. Si forma un complesso, richiamando anche la pro- teina NAC. Questo complesso si dirige sulla membrana del RER. - Avviene la traslocazione, processo che consuma molta energia. La pro- teina nascente viene inserita in un traslocone (canale). La sintesi prose- gue, rilasciando la proteina nel lume - Le proteine che entrano nel lume non entreranno mai nel citoplasma, poiché il lume del RER è uno scompartimento a sé - Vantaggio: si generano vescicole che trasportano gli ormoni fino all’esterno (es: ormoni) - La proteina dal RER transita al Golgi e entrerà a far parte del sistema vescicolare - Quasi tutte le funzioni biologiche funzionano con un lavoro di squadra tra proteine. Questo garanti- sce anche la sistema biologico di controllare meglio il processo - La prima sequenza di 20-22 aa eliminati - Una volta che le proteine sono sintetizzate devono prendere la propria struttura stabile/definitiva - Prima struttura → alpha-elica. Si ottiene grazie alla forma- zione di legami ad H che mantengono questa struttura (facili da rompere e da formare, permetto il movimento). La sequenza pre- cisa degli aa (differente per ogni proteina) della struttura primaria dà una conformazione precisa per la struttura finale. Quasi tutte le proteine di membrana possiedono questa struttura. I legami ad H mantengono la struttura in senso verticale e possono esporre ai lati esterni componenti idrofobiche - Il ripiegamento è assistito da altre pro- teine, una piccola task force chiamata chape- ron molecolari. Nonostante si ha la struttura primaria a dettare la sequenza fi- nale della struttura della proteina, il ripiegamento deve essere assisitito. Si parla sempre di interazioni proteina-proteina. Se qualcosa va storto la cellula elimina la proteina non corretta. - Proteolisi → alcuni ormoni subiscono un taglia e cuci che darà origine all’ormone nella sua configura- zione definitiva - *Glicosilazione → aggiunta equivalente di zuccheri. Solo nelle cellule eucariotiche  - Glicoproteine → proteine che fuoriescono dal doppio strato fosfo- lipidico che presentano delle catene di zuccheri. Esistono diversi tipi di zuccheri - Inizia nel RER e prosegue nel Golgi - Fa parte del meccanismo di controllo del corretto ripiegamento, che è un processo complicato - Nel RER viene aggiunto un intero gruppo di mannosio, durante il passaggio dal RER al golgi vengono eliminati e nel Golgi avviene l’aggiunta degli zuccheri definitivi da parte di enzimi - La cellula spende molta energia - Fosforilazione → aggiunta equivalente di un fosfato. Solo nelle cellule - Temporaneo → il fosfato viene aggiunto e poi staccato. Questo processo serve per promuovere una segnalazione cellulare (es: trasmissione di un segnale) - Strutturato → non viene eliminato - Trasporto enzimi lisosomiali con vescicole → enzimi che lavorano a pH acido, si trovano nel lisosoma (dige- stione cellulare di proteine che non funzionano più, op- pure intervengono, nei macrofagi, per degradare i bat- teri), gli enzimi sono in grado di degradare le macromo- lecole. Questi enzimi vengono trasportati dal RER al lisosoma, senza che entrino a contatto con il citopla- sma che ha un pH neutro. Alcuni di questi enzimi ven- gono chiamati idrolasi, poiché necessitano la presenza di H2O per fare a pezzettini le macromolecole. - Vengono sintetizzati nel RER con un meccanismo di traslocazione nel lume. A queste molecole viene ag- giunto del mannosio, che viene fosforilato in posizione 6. - Avviene la maturazione nel Golji: il mannosio, insieme al fosfato, diventa un segnale di riconosci- mento. Cambia la conformazione e diventa un target per l’interazione specifica per il suo recettore (proteina in grado di fare dei legami specifici con un mannosio 6 fosfato). - Il riconoscimento diventa il segnale che la proteina deve essere trasportata nel lisosoma. Viene for- mata una vescicola (endosoma) con pH acido che trasporta le proteine al lisosoma. Si stacca il recet- tore dal ligando. Le idrolasi vengono trasferite nel lisosoma. - Alcune di queste vescicole diventano dei lisosomi - Le proteine che devono essere trasportate al loro compartimento definitivo vengo trasportate da vesci- cole. (es: enzimi lisosomiali) - Le proteine che devono entrare nel nucleo vengono assistite dal complesso pro- teico dell’importina. - Le proteine che devono raggiungere il mitocondri vengono assistite dalle chape- ron che legano la proteina che deve raggiungere il mitocondrio. - Es: proteina della matrice mitocondriale. La proteina deve avere un segnale, perché il sistema cellulare deve essere in grado di determinare il percorso che quella determinata proteina deve fare (andare nel mitocondrio, rima- nere nel citoplasma, raggiungere un combattimento, essere secreta). In que- sto caso la sequenza segnale dirige la proteina sulla superficie del mitocon- drio.  - Il mitocondrio, avente doppia membrana, ha un doppio sistema (TEAM & TOM) formato da delle proteine canale che si trovano sulle membrane. La proteina canale TEAM si trova sulla membrana interna (creste mitocondriali), mentre la proteina canale TOM si trova sulla membrana esterna. Tutti i segnali tutti i segnali peptidi vengono tagliate via una volta svolta la loro funzione. - MODIFICHE POST-TRADUZIONALI - Glicosilazione* - Lipidazione → trasferimento per legame covalente di una coda lipidica ad una proteina neo-sintetiz- zata. Rende la molecola lipofilica. - Attacco di un acido carbossilico alla proteina (es: acido farmelilico) - Vengono lipidate tante proteine - Alcune proteine possono essere reversibili → normalmente sono solubili nel citoplasma, ma se viene aggiunta una coda di un acido grasso, formato da una catena di 16 carboni legati con covalenti sa- turi, quindi molto idrofobica. Questo serve ad agganciare la proteina alla membrana plasmatica. - Alcune modifiche possono avvenire nel lume del RER, altre sulla membrana del Golgi - Ogni sistema cellulare segue il percorso per la maturazione di una proteina - Se qualche cosa va storto, la proteina viene eliminata. Come avviene per le proteine presenti nel lume del RER? Sistema di sicurezza ERAD (si trova nel lume del RER) si- stema di degradazione che promuove l’espulsione della proteina nel citoplasma. Se la proteina non è glicosilata correttamente e non avviene un ripiegamento corretto è riconosciuta come sba- gliata e, attraverso un’altra traslocazione che fa fuoriuscire la pro- teina errata. - Nel citoplasma viene ubiquinata (coda di ubiquitina legata cova- lentemente), che diventa il segnale per la degradazione. La pro- teina da degradare raggiunge il proteosoma dove viene degra- data (ogni proteina ha un proprio percorso per essere eliminata, infatti può avvenire anche nel liso- soma) - REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA - Tutte le cellule dello stesso organismo contengono lo stesso DNA - Qual è il meccanismo che rende la differenziazione possibile? Tutte le cellule derivano dallo zigote (fu- sione tra uno spermatozoo e un oocita, si ricompone il corredo cromosomico di 46 cromosomi) che, durante la formazione del feto, si dividono per mitosi, fino ad ottenere l’organismo adulto. - Durante le varie divisioni, i geni per le determinate funzioni vengono trascritti, per- mettendo la differenziazione. In poche parole, alcuni geni si esprimono ed altri no. È una regolazione tessuto specifica. - Esistono delle proteine che vanno a interagire specificamente con il promotore (re- gione a monte, prima del punto di inizio della trascrizione, si legano i fattori di trascri- zione). Se è presente un qualcosa (repressore) che occupa il promotore e che impedi- sce al fattore di trascrizione di legarsi, il gene viene soppresso (regolazione nega- tiva).Per far si che avvengala trascrizione, si lega un fattore che va a promuovere la tra- scrizione al promotore. (regolazione positiva). Questa è una prima scrematura per la differenziazione. - Es: operone lac → i geni sono raggruppati per funzione (loci). L’operone lac viene utilizzato nei batteri che ricavano energia dal latte.  - Operone lac presenta: promotore (per la trascrizione deve essere sempre presente), opera- tore, 3 geni (lacZ, lacY, lacA) → codificano per degli enzimi che intervengono nella degrada- zione del lattosio (beta galattosidasi, lattosi permeasi e beta galattosidasi transacetilasi) - Si genera un unico trascritto che verrà subito letto dai ribosomi e che darà origine in pochis- simo tempo agli enzimi. - In assenza di lattosio → io meccanismo non avviene, poiché il repressore non viene bloccato - In presenza di lattosio → si formano delle molecole di allo-lattosio che bloccano il repressore e permettono la trascrizione degli enzimi - Sistema on e off dovuto al lattosio, di proteine adibite alla stessa funzione - Negli eucarioti la regolazione dell’espressione genica può essere divisa in: - Pre-trascrizionale/trascrizionale → es: repressore, corpo di Barr (cro- mosoma X trasformato in eterocromatina tramite modifiche chimiche) - Post-trascrizionale → a livello del mRNA - Post-traduzionale → dopo la sintesi delle proteine - Primo livello di regolazione: passaggio da eterocromatina ad eucromatina (e viceversa) - Il DNA di ogni cellula appare in zone ellettrondense (grado alto di im- pacchettamento di DNA, ETEROCROMATINA) e zone più chiare (EUCROMATINA) - Eucromatina (trascrizionalmente attiva) e eterocromatina (trascrizionalmente inattiva = non accessibile al RNA polimerasi) → primo livello di regolazione - Come avviene uno stato di transizione tra eterocormatina e eucromatina (e viceversa)? - Acetilazione degli istoni → gli istoni sono ricchi di cariche positive (presenza di lisine), per questo riescono ad interagire con il DNA. Intervengono nella trascrizione. Se avviene un’ace- tilazione delle code avviene un rilassamento della struttura del DNA (formazione di eucro- matina). Esiste il processo inverso - Metilazione delle cisteine del promotore → se le cisteine presenti nei promotori vengono metilati, viene bloccato il legame che si forma con il fattore di trascrizione, bloccando la tra- scrizione. Molto frequente (dal 2 al 7 % delle coppie geniche del genoma) - Tutto ciò avviene ad opera di enzimi (trasferimento di metile e acetile) - Anche gli istoni possono essere metilati, ma si ha un effetto diverso - Regolazione più fine dell’eucromatina: regolazione dei fattori di trascrizione - Sistema complesso → più complesso di attivatore e silenziatore. Ci sono 20 o più proteine (fattori di trascrizioni che riconoscono sequenze specifiche) che, oltre al fattore di trascrizione, si legano  al DNA. Si forma un primo complesso di trascrizione ed arriva l’RNA polimerasi (grandi dimensioni, vari domini, riconosce le proteine del complesso) - Intervengono anche degli intesificatori → sequenze che possono decidere se la trascrizione avviene e con quale intensità - Regolazione tessuto-specifica → es: in alcuni tessuti è presente la capacità di trascrivere il gene dell’albumina e viene bloccata la ca- pacità di tradurre il gene della cristallina, e viceversa. - Tutti i geni sono presenti in tutte le cellule, ma solo quelli neces- sari al tessuto vengono trascritti - EPIGENETICA → interviene nella regolazione dell’espressione genica. Studio dei cambiamenti ereditabili nell’espressione genica che non im- plicano cambiamenti nella sequenza del DNA. - interviene nella regolazione di nuovo, che può essere positivo o negativa, fa riferimento a processi come metilazione e acetilazione - Es: gene agouti dei topi → l‘alimentazione stessa può influen- zare la metilazione del DNA. Il gene agouti è normalmente meti- lato e, quindi, spento. In questo modo si manifesta il colore mar- rone e l’animale è normalmente magro. Quando il gene non è metilato si riaccende, facendo sì che l’animale abbiamo un manto giallo e sia obeso. - GENE → unità trascrizionale del DNA (esoni, 2%), composto da: - Promotore - 5’ non tradotto, ma trascritto → non da origine ad un dominio proteico - Codone di inizio - Trascritto (se è per la proteina), che viene dagli esoni - Codone di stop - 3’ non tradotto, ma trascritto  - Come mai la cellula trascrive queste regioni? - Quando queste regioni sono molto lunghe sono soggette ad una regola- zione. Una buona percentuale del 98% di DNA non codificante produce il miRNA (micro RNA o Mirna) che ha la capacità di legarsi con il mRNA che legano la regione del trascritto non tradotto e ne impediscono la sintesi proteica: - Legandosi → non avviene la traduzione di quel trascritto - Attivando un processo di degradazione dell’mRNA - Per lo sviluppo embrionale → avere mRNA pronti, ma bloccati, che non servono tradotti. Quando servono basta eliminare i miRNA - DIFFERENZIAMENTO CELLULARE - Allo stato di blastula, troviamo i blastomeri (cellule staminali embrionali pluripotenti) che daranno origine ai foglietti embrionali e alle cellule spe- cializzate. - La specializzazione avviene con l’attivazione/disattivazione di pacchetti di geni durante le divisioni mi- totiche. - Le cellule staminali sono cellule bambine, che hanno un potenziale di differenziazione elevato. - Cellule uni-potenti (staminali) → le possiamo trovare nell’adulto. Hanno la capacità di differenziarsi come cellule di quel tessuto. Si trova sulla lamina basale dell’epi- telio. - Come mai nell’adulto sono presenti cellule staminali? - Esiste una mitosi asimmetrica → ovvero una diversa divi- sioni delle componenti cellulari (tipiche delle cellule stami- nali). Una cellula figlia mantiene il potenziale di differenzia- mento, mentre l'altra si differenzia subito. - Si può tornare indietro da un processo differenziativo? - Riprogrammazione - Esperimento eseguito sugli anfibi → spiega come viene perso il potenziale di staminalità (man mano che le cellule si differenziano, viene perso) - Esperimento → pecora Dolly. Una rivoluzione. Prima volta che venne clonato un mammifero  MUTAZIONI - La parola stessa sta ad indicare dei cambiamenti, qualcosa che è mutato, la mutazione è una modifica a carico del DNA. - Possono avere o non avere un vantaggio selettivo poiché offrono la possibilità di un adattamento all’ambiente. - Sono distinte in due grosse categorie: quelle POSITIVE (che offrono un vantaggio), e quelle NEGATIVE e dipendono dall’ambiente. - Quando si parla di mutazione del DNA ci si riferisce a qualcosa di ereditabile che nel nostro patrimonio genetico possiamo trasmettere ai figli. - Queste mutazioni possono essere chiamate: a. PUNTIFORMI → mutazioni minime che riguardano una singola coppia di basi b. GENICHE → mutazioni che implicano regioni più estese c. CROMOSOMICHE → quando manca addirittura una porzione di cromosoma, come la delezione. - Sono tutti mutamenti che possono essere piccoli, medi o grandi. - Le delezioni dei cromosomi tendenzialmente non sono compatibili con la vita tranne qualche eccezione (ad esempio il cromosoma 5 può essere deleto nella porzione terminale e dà una grave patologia chiamata “pianto del gatto”). - Il tasso di mutazione è raro e casuale, la maggior parte delle mutazioni vengono introdotte per errore dalla DNA polimerasi: le cellule somatiche aumentano di numero per mitosi e a ogni divisione c’è il potenziale di introduzione di una mutazione. Si dice che è ereditabile perché se una cellula possiede una mutazione, quando questa si divide, le sue cellule figlie avranno la stessa mutazione. Il concetto di ereditarietà non riguarda soltanto la trasmissione della mutazione alla prole ma anche alle cellule attraverso la divisione mitotica. - La mutazione può essere: a. SPONTANEA→ quando ci sono errori dell’RNA polimerasi quindi di replicazione del DNA oppure in difetto di riparazione del DNA. Il primo sistema di correzione di un’eventuale mutazione è a carico della DNA polimerasi che è un grado di operare una rottura del legame erroneo e di togliere il nucleotide sbagliato. Un sistema di riparazione del DNA prevede una scansione a replicazione avvenuta e laddove è stata riprodotta una base sbagliata ci sarà una distorsione per il mancato perfetto appaiamento delle due basi: a quel punto avverrà un taglio, sarà eliminato un frammento di circa 30 basi e la DNA polimerasi andrà a ripristinare il corretto filamento. b. INDOTTA→ quando le mutazioni sono provocate da agenti chimici o fisici come le radiazioni (comprese quelle cosmiche). - Quanto più i sistemi di riparazione del DNA funzionano, tanto minore sarà il numero di mutazioni nel DNA, per cui invecchiando si accumulano mutazioni. - Un’altra distinzione importante è fra le mutazioni GERMINALI e SOMATICHE: a. GERMINALI→ si ritrovano nei gameti (spermatozoi ed oociti, in entrambi i casi le mutazioni sono tramandate soltanto se lo specifico spermatozoo o l’oocita con la mutazione è interessato nella fecondazione e in quel caso la mutazione è presente in tutte le cellule del figlio).  b. SOMATICHE→ colpiscono cellule già differenziate e si esauriscono nell’individuo (con la morte dell’individuo la mutazione sparisce). DARWIN - Considerava le mutazioni una risorsa in grado di migliorare la fitness, ovvero la prestazione biologica. Le mutazioni ci sono, molte vengono eliminate e alcune offrono un vantaggio che dipende dall’ambiente e possono risultare VANTAGGIOSE o DANNOSE. a. Vantaggiosa → porta a una maggiore fitness e capacità riproduttiva b. Neutra → non influenza la fitness di chi la porta c. Svantaggiosa → l’organismo che la porta ha una fitness minore ESEMPIO: Un esempio di mutazione vantaggiosa è quello della farfalla che durante l’era industriale è passata dall’avere le ali bianche ad averle nere, poiché con l’annerimento delle cortecce degli alberi gli individui con la mutazione delle ali nere riuscivano a mimetizzarsi più facilmente, migliorando la loro fitness ed effettivamente diventando più comuni di quelle con le ali bianche un tempo prevalenti. MUTAZIONI E CONSEGUENZE - Nel nostro genoma ci sono molte mutazioni e circa il 98% del nostro DNA è non codificante: le mutazioni che interessano queste porzioni di solito non danno conseguenze. - I POLIMORFISMI DEL DNA sono delle mutazioni di alcune basi di DNA che possono cadere sia in esoni sia in introni sia in regioni non codificanti. I polimorfismi determinano la variabilità e la genetica individuale (colore capelli, occhi, altezza ecc.). - Le modifiche della popolazione diventano parte degli studi quando interessano l’1% della popolazione. - I polimorfismi di singolo nucleotide sono abbastanza frequenti 1/1000 o 1/400 basi. La modifica più frequente vede un cambiamento A-T in G-C ma se cade nella regione non codificante non ha alcun effetto. Con effetto si intende un cambiamento in una proteina o amminoacido. - Nella sintesi proteica dei ribosomi avviene una lettura a 3 a 3 tuttavia la terza base per molti codoni è indifferente e si possono non avere ripercussioni anche nel caso sia presente una mutazione. Per esempio, se una modifica cade in una terza base, essendo il codice genetico degenerato, non si avrà una modifica dell’amminoacido. Molti polimorfismi possono conferire una diversa capacità di reagire alla somministrazione di un farmaco e di questo si occupa la farmacogenetica. - L’analisi dei polimorfismi può servire per gli studi di parentela: il DNA viene estratto dalla mucosa buccale e si analizzano la presenza o meno di caratteristiche che si ritroveranno per il 50% nel figlio. - Le mutazioni che possono dare problemi sono quelle che vanno a modificare il significato del codone e soprattutto quelle che cadono negli esoni (quei tratti di DNA che codificano per un dominio proteico). Durante la lettura a 3 a 3 la terza base ha spesso sostituzioni neutre (che non variano il significato) però in alcuni casi la modifica può determinare un cambio di significato in base al tipo di mutazione: a. MUTAZIONE MISSENSO→ quando nella molecola proteica finale troveremo un amminoacido scambiato che cambia il significato della tripletta oppure può anche non avere impatto sulla proteina. Nel caso in cui l’amminoacido si trovi in un punto critico per la funzione della proteina allora ci sarà un difetto, altrimenti se si trova in una regione strutturale sarà ininfluente. b. MUTAZIONE NONSENSO→ quando un codone che codifica per un amminoacido è erroneamente trasformato in un codone di stop, ovvero uno di quelle basi che vengono lette come segnale di terminazione della sintesi proteica, in questo caso la catena polipeptidica risulta più corta e instabile perché non si ripiega completamente. Spesso quando questo accade la catena viene degradata, ma nel caso in cui non si verifichi ciò interferisce negativamente con la funzione della proteina. - Altri tipi di mutazioni sono le inserzioni e le delezioni, conosciute come MUTAZIONI FRAMESHIFT: piccole delezioni o inserzioni particolarmente dannose perché con la lettura a 3 a 3 se per errore vengono inserite o eliminate una o due basi (un numero diverso da 3) si ha uno slittamento della superficie di lettura e salta lo schema, spesso sono svantaggiose. Molti mutageni modificano il DNA alterandone le basi e nella maggior parte dei casi risulta in una terminazione prematura a causa di un codone di stop non previsto. - Altre mutazioni importanti sono quelle che possono colpire i siti donatori o accettori dello splicing alternativo o dello splicing canonico: se questi vengono mutati il sistema dello spliceosoma non riconoscerà il sito come un luogo di cambio e la lettura a 3 a 3 proseguirà nell’introne dove, però, non è prevista una lettura che abbia senso per cui finirà dando origine a un codone di stop, portando ad una proteina tronca. - Sono presenti anche mutazioni che interessano i promotori: ad esempio quando le cisteine, oggetto di metilazione, vengono mutate non avviene la metilazione del promotore e si avrà uno sblocco della trascrizione oppure mutazioni che modificano la TATA box o la CAT box, sequenze fondamentali per l’assemblaggio dei fattori di trascrizione, il complesso non si formerà più o sarà anomalo in base al il livello di espressione: potrebbe non esprimersi oppure esprimersi poco o troppo RNA messaggero. - Un esempio di mutazione è l’anemia falciforme. - Anemia falciforme→ vi è un effetto a carico dell’emoglobina che si accumula all’interno dei globuli rossi dove un singolo amminoacido in una posizione critica per il funzionamento dell’emoglobina risulta mutato. Normalmente l’emoglobina presenta una struttura quaternaria formata da due α e due β che solitamente hanno un movimento allosterico che prevede le subunità α potersi muovere sulle subunità β per facilitare lo scambio di ossigeno e co2. Nel caso della mutazione nel punto di interazione tra le catene α di un acido glutammico che possiede una carica questo viene trasformato in un amminoacido idrofobico chiamato Valina senza carica che provoca una precipitazione dell’emoglobina stessa che forma dei precipitati i quali si accumulano nel globulo rosso determinandone la struttura a falce. Questi globuli rossi sono molto delicati, troppo scarsi e provocano problemi di ossigenamento e fisici poiché finiscono per ostruire i capillari.  GENETICA - La genetica è lo studio delle leggi che regolano la trasmissione delle mutazioni e dei caratteri da una generazione all’altra. - Gregorio Mendel gettò le basi della disciplina. Non conosceva il processo di divisione cellulare ma intuì che i caratteri dovevano essere qualcosa di fisico che veniva trasmesso che oggi sappiamo essere il gene, ovvero un tratto di DNA che produce un carattere. - Oggi noi definiamo: a. Genotipo→ la costituzione genetica di un organismo, il DNA che noi abbiamo in tutte le nostre cellule. b. Fenotipo→ l’aspetto esteriore come il colore degli occhi, dei capelli e l’altezza. - Mentre il genotipo è costante il fenotipo può modificarsi, come si è visto da gemelli monozigotici che si sono trovati a vivere in luoghi molto lontani hanno assunto con il tempo caratteristiche fisiche diverse, anche l’ambiente può influenzare il repertorio di espressione genica. - Il genotipo è per il 50% materno e il 50% paterno quindi ereditiamo metà dei cromosomi materni e metà paterni. Possediamo 2 copie per ogni gene tranne per i cromosomi sessuali, di queste copie può accadere che una sia alterata con una mutazione e una sana, queste mutazioni possono essere dominanti o recessive. - Mendel dedicò la sua vita a incrociare delle piante di piselli analizzando il loro colore (giallo o verde), la forma del seme (liscio, rugoso) l’inflorescenza (porpora o bianca), l’altezza della pianta, il posizionamento dello stelo. Lui ebbe l’idea di utilizzare linee pure. - Mendel non conosceva il meccanismo della meiosi: la fecondazione si basa sulla ricostituzione del patrimonio genetico; quindi, i due geni che abbiamo dipendono da quali copie verranno a trovarsi nella ricostituzione del patrimonio genetico e in base a queste avremo un’espressione fenotipica piuttosto che un’altra. - Mendel svolgeva esperimenti con linee pure ovvero semi che quando venivano seminati tramandavano alle generazioni successive sempre determinate caratteristiche. Il suo approccio scientifico fu di tipo quantitativo statistico, li incrociava e contava le loro particolarità. Mendel per incrociare piante diverse le impollinava, rimuoveva i gameti maschili degli stami e trasferiva il polline dei fiori. - In un primo esperimento vide che tutte le piante avevano un’inflorescenza viola, ma rincrociando due di queste poteva ottenere di nuovo dei fiori bianchi quindi il carattere bianco nella prima generazione non era sparito. - Al tempo era presente una teoria di trasmissione dei caratteri che prevedeva che le caratteristiche si mescolassero e venissero fuori casualmente come la vernice. Questo esperimento prova che è diverso: il carattere è qualcosa di deciso che oggi sappiamo essere legato a un gene. - Nella seconda generazione può rispuntare il bianco perché ci sono due alleli di cui quello porpora è dominante e quello bianco recessivo; perciò per avere il fiore bianco entrambi gli alleli devono avere la caratteristica bianca. - PRIMA LEGGE DI MENDEL→”gli alleli, forme alternative di uno stesso gene sono entità distinte e durante la gametogenesi segregano (si separano) indipendentemente uno dall’altro”. Il carattere forte si può manifestare anche se è in coppia con uno debole; i caratteri recessivi, invece, per manifestarsi devono essere in coppia con un altro recessivo. La lettera maiuscola indica il carattere dominante, una minuscola il carattere recessivo. Si parla di omozigote dominante quando entrambi gli alleli sono dominanti, eterozigote quando uno è dominante e l’altro recessivo o omozigote recessivo quando entrambi sono recessivi. Mendel concluse che gli alleli sono entità distinte e durante la meiosi si separano indipendentemente l’uno dall’altro, un qualcosa di corpuscolato che veniva trasmesso e mescolandosi davano le caratteristiche- fisiche. Questa legge è valida solo per caratteri presenti su cromosomi distinti ma non per caratteri presenti sullo stesso cromosoma. - SECONDA LEGGE DI MENDEL→“geni (caratteri) distinti si assortiscono in modo indipendente”. Per esempio, se incrociamo un bacillo giallo e un fiore porpora con un bacillo verde e un fiore bianco le 4 possibilità si riassortiscono in maniera indipendente. Mendel analizzò due caratteri insieme, il colore e la forma e si accorse che i rapporti non erano equivalenti per ogni carattere ma vi era una prevalenza di forme rotonde e gialle e che il colore verde e forma rugosa erano più rare. La seconda legge di Mendel è valida solo quando si fa riferimento a geni su cromosomi diversi altrimenti la percentuale non è più del 50% quindi le caratteristiche che si trovano sullo stesso cromosoma fanno più fatica a trovarsi in combinazione. Due cromosomi sono detti omologhi se sono materni e paterni, l’allele è la variante di un determinato gene. È presente un gene di origine paterna e uno di origine materna e si parla di locus genico per la zona dove si trova un determinato gene e di varianti alleliche del gene. Ognuno di noi ha caratteristiche che derivano dall’espressione di due varianti alleliche di origine paterna e materna. Se i due caratteri sono sullo stesso cromosoma è più probabile che vengano ereditati insieme perché nella meiosi vengono separati i cromosomi ma in questo caso a meno che non avvenga un crossing over questi due geni verranno trasmessi insieme. L’assortimento indipendente deve fare i conti con le regole della meiosi: nella fase 1 quando i cromosomi si dispongono sulla piastra equatoriale possono disporsi con i cromosomi paterni e materni a due lati opposti e in questo caso le 4 cellule aploidi avranno distribuito le copie materne e paterne separate oppure possono essere mescolati casualmente generando 4 gameti che avranno una coppia paterna e una coppia materna per i cromosomi, si parla di assortimento indipendente che si aggiunge al crossing over. La seconda legge è valida solo per geni che si trovano su cromosomi diversi. - Come si segregano i geni sullo stesso cromosoma? T.H. Morgan e collaboratori all’inizio del 1900 scelsero Drosophila melanogaster (moscerino della frutta) come sistema modello per gli studi di genetica e scoprirono l’associazione allelica preferenziale: se due alleli si trovano sullo stesso cromosoma in certi casi possono segregare indipendentemente. In questo caso incrociano un moscerino con solo caratteristiche recessive con un individuo eterozigote con un fenotipo che sembrava dominante, però una volta incrociati sono nati moscerini con caratteristiche mescolate e non separate. Si accorsero che c’era una netta prevalenza nel numero dei discendenti che mantenevano le caratteristiche paterne o materne e una ridotta combinazione delle altre caratteristiche. Per l’80% rimaneva il fenotipo parentale come se ci fosse una difficoltà di mescolare alcuni caratteri poiché si trovavano sullo stesso cromosoma e le caratteristiche venivano ereditate insieme se non avveniva un crossing over. Il crossing over avviene più facilmente in geni che sono distanti tra di loro e lontani dal centromero; due geni vicini tra loro difficilmente si scambiano il materiale. Due alleli vicini si dicono concatenati e spesso vengono tramandati insieme.  NOMENCLATURA Gene→Unità di base dell’ereditarietà. E’ una sequenza di nucleotidi di DNA su un cromosoma, codificante per un polipeptide o per una molecola di RNA e determina così la natura dei tratti ereditari di un individuo. Locus→ Il posto fisico occupato da un gene su un cromosoma (alleli di uno stesso gene mappano tutti allo stesso locus) Genotipo→ Il corredo totale di ge