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Il metodo scientifico Fleming e la scoperta del primo antibiotico: Penicillina Nel 1928 Fleming divenne titolare della cattedra di batteriologia e, durante l'estate dello stesso anno, mentre stava svolgendo ricerche sul presunto agente patogeno dell'influenza (che solo in seguito si scoprì essere di...

Il metodo scientifico Fleming e la scoperta del primo antibiotico: Penicillina Nel 1928 Fleming divenne titolare della cattedra di batteriologia e, durante l'estate dello stesso anno, mentre stava svolgendo ricerche sul presunto agente patogeno dell'influenza (che solo in seguito si scoprì essere di natura virale e non batterica), si assentò dal suo laboratorio per un breve periodo di vacanza di circa tre giorni, dimenticando di distruggere alcune colture di Staphilococcus aureus. Al rientro, notò in una piastra petri un alone chiaro inusuale: in quella zona, le colonie di Staphilococcus aureus non erano cresciute. Osservò però che le colonie batteriche non crescevano intorno a quelle fungine. Ipotizzò che le colonie di funghi possono sintetizzare sostanze che inibiscono la crescita batterica Fece un esperimento: due tubi con terreno di coltura per batteri Tubo A: nel terreno ha aggiunto le colonie fungine, presenti sulla piastra Tubo B: controllo (terreno di coltura in assenza di microrganismi, funghi e batteri) Dopo giorni ha filtrato il brodo di coltura per rimuovere i funghi dal tubo A, successivamente ha aggiunto colonie batteriche in entrambi i tubi. Analisi dei risultati: nel tubo A non erano cresciute colonie batteriche nel tubo B erano cresciute colonie batteriche. Conclusioni: nel tubo A i funghi hanno secreto sostanze battericide. Fleming identificò in un secondo momento la muffa come appartenente al genere Penicillium. Quando riuscì ad isolare ed estrarre, anche se non totalmente, questo nuovo composto, lo chiamò penicillina: ne descrisse la stabilità a pH neutro ed acido, l'attività selettiva sui Gram positivi e su alcuni Gram negativi ed iniziò a studiarne la tossicità in animali da esperimento Biologia Dal greco βίος, bìos: "VITA" e λόγος, lògos: nel senso di "STUDIO" La vita può essere descritta come l’insieme di proprietà e di caratteristiche che distinguono gli organismi viventi. Ciò che ha assicurato la diffusione ed il mantenimento delle forme viventi è una serie di proprietà che permettono di distinguere ogni forma di vita dal mondo inanimato. Caratteristiche degli organismi viventi La vita può essere descritta come l’insieme di proprietà e di caratteristiche che distinguono gli organismi viventi dalla materia non vivente. La diffusione ed il mantenimento delle forme viventi sono garantiti da proprietà comuni a tutti gli organismi viventi. ✓ Composti da cellule ✓ Crescono e si sviluppano ✓ Si riproducono ✓ Rispondono agli stimoli esterni ✓ Capaci di prendere, trasformare e usare energia ✓ Evolvono e si adattano all’ambiente Gli organismi autotrofi, come piante e alcuni batteri, ricavano energia da materiale inorganico come CO2, acqua, luce solare. Gli organismi eterotrofi, ovvero tutti gli animali e i funghi, acquisiscono energia e composti chimici partendo da sostanze organiche elaborate da organismi autotrofi o provenienti da altri organismi eterotrofi. Non sono in grado di sintetizzare le proprie sostanze nutritive. Livelli di organizzazione Se si parla del sistema emopoietico, si parla del sistema di organi e tessuti dove viene prodotto il sangue. Importanti sono le dimensioni, in caso di filtraggio per capire che filtro utilizzare. Concetto di cellula Robert Hooke (1665) usando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità «celle», da qui deriva il termine cellula. La teoria cellulare Viene scritta da Schleiden e Schwann nel 1839, dice che tutti gli organismi sono costituiti di cellule, e che la cellula è l’unità strutturale della vita, è una unità organizzativa e autonoma. Virchow nel 1855 aggiunge che le cellule derivano solo per divisione cellulare da un’altra cellula. La cellula è l’unità di base dei viventi come l’atomo lo è della materia. Se la cellula è alterata si crea una malattia. Proprietà fondamentali delle cellule - Ogni cellula ha una struttura complessa, formata da diversi componenti subcellulari (organelli) - Ogni organello ha forma e disposizioni riproducibili in tutti gli individui della stessa specie. - La composizione molecolare di ogni tipo di organello è costante. - Le cellule contengono un programma genetico codificato nel DNA (all’interno del nucleo negli eucarioti) - Il DNA contiene l’insieme dei geni che servono a guidare la formazione di tutte le molecole funzionali all’interno di ogni singolo organello cellulare - Le cellule sono in grado di riprodursi - Divisione di una cellula «madre» in due cellule «figlie» - Prima della divisione il DNA si duplica in modo che ogni cellula figlia riceva una copia completa del DNA della cellula madre - Le cellule sono in grado di acquisire ed utilizzare energia - Nelle cellule animali l’energia è fornita sottoforma di molecole di glucosio - Il glucosio viene demolito per produrre una forma di energia chimica rappresentata dall’ATP (adenosina trifosfato) - Le cellule svolgono azioni meccaniche – Sostegno e mantenimento della morfologia – Trasporto di molecole e frazioni subcellulari - Le cellule sono in grado di recepire e reagire a stimoli e segnali chimico-fisici che provengono dall’esterno grazie ai recettori che fanno partire dei messaggi verso l’interno della cellula per fargli capire come comportarsi. - L’impulso viene sempre comunque convertito in un messaggio chimico/molecolare trasferito all’interno della cellula,  - Le cellule si autoregolano, perché riescono a correggere degli errori nella duplicazione del DNA, evitando la creazione di nuovi errori - Contenendo, compensando e riparando fluttuazioni pericolose della loro composizione e funzione Le cellule possono essere procariotiche o eucariotiche Le cellule procariotiche ed eucariotiche possiedono alcune strutture comuni: - la membrana plasmatica; - il citoplasma. Le cellule procariotiche sono più piccole di quelle eucariotiche e hanno una struttura di base più semplice. Cellula procariotica La membrana plasmatica racchiude la cellula, separando il suo interno dall’ambiente esterno e regolando il traffico di materiali in entrata e uscita. Il nucleoide è la regione della cellula in cui è localizzato il DNA, che controllala crescita, il mantenimento e la riproduzione della cellula. Il citosol è costituito principalmente da acqua in cui sono disciolti ioni, piccole molecole e macromolecole solubili, come le proteine. I ribosomi sono complessi formati da RNA e proteine. Il DNA forma un'unica lunga molecola chiusa ad anello ed è diverso dal DNA nucleare della cellula eucariota. Sono presenti diversi ribosomi dispersi nel citoplasma, ma sono più piccoli di quelli della cellula eucariota. Le dimensioni della cellula procariota sono molto minori, tuttavia le funzioni vitali vengono svolte con successo, come è testimoniato dalla grande diffusione dei batteri. I flagelli sono utilizzati come propulsori e sono fondamentali per la locomozione. Cellula eucariotica Nel nucleo, DNA è associato a proteine a formare la cromatina. Mentre nella cellula procariotica è un singolo cromosoma circolare “nudo”. Il citoplasma della cellula eucariotica contiene diverse strutture: -mitocondri per produzione energia chimica per espletamento attività cellulari -reticolo endoplasmatico, dove vengono sintetizzati lipidi e proteine della cellula -complesso del Golgi, dove sostanze vengono selezionate e smistate in comparti cellulari -serie di vescicole per trasporto Virus I virus sono organismi procarioti, eucarioti? Non sono classificabili in queste due categorie cellulari? Perchè? I virus sono parassiti endocellulari obbligati (10-300 nm) incapaci di replicazione autonoma → necessitano dell'interazione con una cellula che funge da ospite. Hanno l'acido nucleico che può essere o DNA o RNA. Hanno anche un rivestimento proteico che è il capside. I virus non hanno vita autonoma quindi il virus non è una cellula → non sono organismo viventi. Esistono diverse forme di virus, variano per forma, struttura e dimensione. I virus sono la causa di molte malattie dell'uomo (AIDS, influenza, herpes, alcuni tipi di cancro...). I batteriofagi sono i virus che attaccano i batteri. Il virus dell'HIV ha un involucro di proteine. A seconda delle modalità di progressione dell’infezione virale, i batteriofagi sono suddivisi in due categorie: 1) batteriofagi virulenti, la cui infezione, detta ciclo litico, si conclude inevitabilmente con la rottura (lisi) del batterio infettato e con la liberazione di nuove particelle virali; 2) batteriofagi temperati, la cui infezione può portare, in alternativa alla lisi del batterio e all'instaurarsi di una particolare situazione di "convivenza" tra virus e batterio infettato, detta liso- genia, nella quale il DNA del virus si inserisce nel DNA che costituisce il cromosoma batterico e viene moltiplicato come parte di esso, senza che si formino particelle virali. In questo caso il ciclo infettivo viene denominato ciclo lisogeno. Ciclo litico Quando uno di questi virus colloide con una cellula batterica, si lega alla sua superficie tramite le fibre della coda: ciò fa scattare un meccanismo per cui la coda si contrae e il microscopico tubo, presente al suo interno, perfora la parete della cellula. In questo modo il DNA contenuto nella testa viene “iniettato” all’interno della cellula, mentre il capside proteico rimane all’esterno e viene successivamente perduto. Una volta iniziata l'infezione, quindi, il virus "scompare", in quanto il suo DNA non è morfologicamente evidenziabile all'interno della cellula batterica. Il DNA di questi virus contiene numerosi geni. Alcuni di questi (detti geni precoci) iniziano a essere trascritti in RNA messaggero dalla RNA polimerasi del batterio infettato e a essere tradotti immediatamente dopo l'infezione: le proteine da essi codificate sono necessarie, da un lato per facilitare la replicazione del DNA virale da parte della cellula e per bloccare lo svolgimento delle normali funzioni cellulari (distruzione del DNA e dei messaggeri della cellula), dall'altro per consentire al macchinario cellulare di riconoscere e trascrivere i rimanenti geni virali. Questi ultimi, espressi solo in un secondo momento dell'infezione e perciò detti geni tardivi, codificano per le proteine che costituiscono le varie parti del capside, che cominciano quindi ad accumularsi all'interno della cellula. Esse sono in grado di riconoscersi specificamente e di autoassemblarsi secondo un preciso "percorso" (le proteine della coda cominciano a dar origine a code, quelle della testa a teste, e così via; successivamente, le varie porzioni si uniscono a formare particelle virali complete). Solo alla fine di questo processo, all'interno della cellula infettata possono essere evidenziabili al microscopio elettronico particelle virali. Una delle ultime proteine virali espresse è un enzima (lisozima) capace di idrolizzare la parete batterica e quindi di lisare la cellula, che, rompendosi, libera nel mezzo extracellulare le nuove particelle virali. Ciclo lisogenico Il cromosoma del virus che infetta, che è all’interno della testa del capside, è rappresentato da una molecola di DNA lineare a doppia elica. L'infezione da parte di questo fago inizia con l'iniezione del DNA virale all'interno della cellula infettata e con la trasformazione del cromosoma lineare del fago in una doppia elica circolare. A questo punto si instaura quella particolare situazione di "coesistenza" tra virus e batterio. Si verifica un fenomeno di ricombinazione tra DNA (circolare) del virus e DNA (circolare) del batterio, per cui il DNA virale diviene parte integrante del DNA del batterio. Il DNA virale, così inserito nel cromosoma batterico, prende il nome di profago e il batterio che lo contiene è detto lisogeno. Nella condizione di lisogenia, viene espressa una sola proteina virale, che funge da repressore di tutti gli altri geni virali, che quindi non vengono espressi. Il DNA virale perde così la possibilità di replicazione indipendente, ma viene replicato insieme al cromosoma batterico e trasmesso da una generazione batterica all'altra come se si trattasse di un normale gene batterico. Una caratteristica che contraddistingue lo stato di lisogenia in un batterio è la sua resistenza a nuove infezioni da parte dello stesso fago: in caso di nuova infezione, infatti, il DNA virale, penetrando nella cellula lisogena, trova la proteina cI, che ne blocca immediatamente l'espressione, impedendo così il verificarsi del ciclo litico. Occasionalmente, o per azione di diversi fattori (come radiazioni ultraviolette, raggi X, acqua ossigenata, mitomicina C, fluorodeossiuridina, ecc.), il DNA del profago può "disinserirsi" dal cromosoma batterico e tornare libero nel citoplasma della cellula batterica. Ciò dà inizio a un ciclo litico che culmina con la lisi della cellula. Nello stato di lisogenia, quindi, il batterio lisogeno si moltiplica normalmente e trasmette ai suoi discendenti l'informazione del DNA virale, ma, di tanto in tanto, in uno dei discendenti può verificarsi il "disinserimento" del DNA virale dal cromosoma batterico e manifestarsi l'infezione. È questo il motivo per cui tale situazione è appunto detta lisogenia (che, in greco, significa capacità di produrre lisi). In casi molto rari, il "disinserimento" del DNA virale dal cromosoma batterico può avvenire in modo non corretto, per cui si forma un genoma virale che porta con sé anche un frammento di DNA batterico: l'informazione in esso contenuta viene "amplificata" come parte del DNA del fago (in quanto durante il ciclo litico vengono prodotte molte copie del genoma virale), incapsulata nel capside e può così essere trasferita ad altre cellule batteriche. Il fenomeno prende il nome di trasduzione ed è stato utilizzato per studi di genetica dei batteri. Le molecole biologiche Le molecole che troviamo nelle cellule sono le molecole biologiche. I tessuti dei viventi sono composti dal 70% di acqua e per il restante da ioni e macromolecole. Le macromolecole si dividono in 4 classi: - Carboidrati, che si trovano sul versante esterno della membrana plasmatica - Proteine, che passano attraverso la membrana plasmatica, nei ribosomi per la sintesi proteica; - Lipidi, che formano la membrana plasmatica; - Acidi nucleici; DNA e RNA Carboidrati Includono gli zuccheri semplici (monosaccaridi) e tutte le molecole costruite, a partire dai monosaccaridi (disaccaridi, polisaccaridi). Hanno pesi molecolari e funzioni biologiche molto differenti. Sono costituiti da una catena di atomi di carbonio, ognuno dei quali legato ad un gruppo ossidrile (-OH), eccetto uno che lega un gruppo carbossilico (C=O). I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi, formati da catene carboniose lineari costituite da tre a 7 atomi di carbonio. Vengono classificati in base al numero di atomi in: triosi, tetrosi, esosi, ecc. Gli oligosaccaridi sono catene di monosaccaridi combinate tra loro costituiti da un minimo di due catene fino a un massimo di dieci. Esempi sono il saccarosio e il lattosio. I polisaccaridi sono costituiti da più di dieci catene di monosaccaridi, esempi sono la cellulosa e l'amido. Lipidi Sono un gruppo di molecole non polari, insolubili in acqua. I lipidi importanti per le funzioni cellulari sono: a) trigliceridi (riserva energetica) b) steroidi (funzione strutturale, ormonale) c) fosfolipidi (funzione strutturale) I trigliceridi sono costituiti da una molecola di glicerolo legata mediante legami esterici a 3 molecole di acidi grassi. L’acido grasso è una molecola costituita da una lunga catena di atomi di carbonio non ramificata che termina con un gruppo carbossilico. Gli steroidi condividono lo stesso scheletro carbonioso a 4 anelli. Il colesterolo è il più importante tra gli steroidi: esso è componente della membrana cellulare e precursore per la sintesi di numerosi ormoni steroidei: testosterone, progesterone ed estrogeni. La molecola dei fosfolipidi è costituita da uno scheletro di glicerolo i cui gruppi ossidrilici sono legati a 2 acidi grassi e ad un gruppo fosfato. Hanno una testa polare, idrofila, cioè che sta bene nell’acqua, (gruppo fosfato) e una apolare, idrofobica, cioè non sta bene nell’acqua, (catene grassi). Sono componenti della membrana cellulare. Queste molecole sono antipatiche, ovvero che hanno sia la parte polare che apolare. Proteine Sono molecole essenziali per l’attività cellulare svolgendo una varietà di funzioni: - Come enzimi, sono catalizzatori che aumentano velocità delle reazioni metaboliche - Come ormoni, fattori di crescita hanno funzione di regolazione - Come recettori e trasportatori di membrana partecipano al regolare cosa entra ed esce dalla cellula - Formano fibre e filamenti per sostegno meccanico. - Servono per la regolazione dell’espressione dei geni. Sono presenti poi: - Proteine strutturali - Proteine contrattili - Proteine di trasporto - Proteine di deposito Sono polimeri costituiti da catene lineari di amminoacidi presenti in sequenza specifica per ogni singola proteina. Inoltre, l’attività biologica di molte proteine può essere regolata in relazione sia allo stato funzionale della cellula in cui si trovano, sia alle esigenze dell’organismo nel suo insieme, per cui esse esplicano la loro funzione solo quando questa è effettivamente necessaria alla cellula o all’organismo. Enzimi Proteine che accelerano le reazioni cellulari. Esse possono essere coniugate con componenti non- proteici = cofattori che possono essere inorganici (metalli) o organici (coenzimi es. vitamine) Essi non cambiano la termodinamica di una reazione, cioè non possono far procedere una reazione non favorita (G>0) né possono modificare il rapporto prodotti/reagenti in equilibrio (Keq di una reazione). Alla base del meccanismo della catalisi enzimatica sta il fatto che il substrato si combina temporaneamente con l’enzima per formare un complesso enzima-substrato. La combinazione non avviene a caso, ma in corrispondenza di una specifica zona della superficie dell’enzima detta sito attivo o sito catalitico dell’enzima. Esso è costruito in modo da riconoscere specificamente i substrati, formando con essi, a seconda dell’enzima, un certo numero di legami deboli e in alcuni casi anche legami covalenti transitori. Grazie alla formazione del complesso enzima-substrato, non solo le molecole dei substrati vengono orientate nello spazio nel modo corretto per lo svolgimento della specifica reazione catalizzata dall’enzima, ma soprattutto si verifica una serie di modificazioni a carico delle molecole dei substrati e che precedono la formazione del complesso di attivazione, il cui raggiungimento richiede così un minore dispendio di energia Vie metaboliche Il metabolismo rappresenta l’insieme di reazioni biochimiche e trasformazioni molecolari che avvengono in una cellula. Una via metabolica indica una serie di reazioni che avvengono in sequenza l’una all’altra, dove il prodotto di una reazione diventa il substrato per la seguente. Le vie metaboliche sono divise in 2 classi: - le vie cataboliche (degradative): i composti vengono scissi con liberazione di energia (e produzione di ATP) - le vie anaboliche (sintetiche): consumano energia per la sintesi di composti più complessi, utilizzando l’energia liberata dall’idrolisi dell’ATP. Acidi nucleici Gli acidi nucleici sono rappresentati dall’acido desossiribonucleico (DNA) e dall’acido ribonucleico (RNA). In tutte le cellule e in molti virus il DNA rappresenta il materiale nel quale è depositata l’intera informazione genetica della cellula. Nucleotidi: sono i monomeri che costituiscono gli acidi nucleici. Sono costituiti da: - uno zucchero (desossiribosio nel DNA e ribosio nell’RNA); - una base azotata (molecole cicliche contenenti N nel loro anello/anelli); - un gruppo fosfato. La struttura del DNA è composta da quattro basi: adenina e guanina (basi puriniche), citosina e timina (basi pirimidiche), struttura a doppia elica e complementarità (A-T e C-G). Nell’RNA le basi azotate sono attaccate al ribosio. Le basi dell’RNA sono le purine adenina (A) e guanina (G), e le pirimidine citosina (C) ed uracile (U). Membrane biologiche Le membrane biologiche formano anche le pareti degli organuli citoplasmatici e separano l’ambiente intracellulare in compartimenti morfo-funzionalmente distinti. Caratteristiche: - mantiene la composizione chimica dell’ambiente interno in condizioni compatibili con la vita della cellula (compartimentazione); - fornisce l’impalcatura di supporto per l’azione di enzimi in attività metaboliche (supporto per reazioni biochimiche); - separa il contenuto della cellula dall’ambiente esterno, regolando il passaggio di sostanze in ingresso e uscita (permeabilità selettiva); - consente il passaggio di molecole bidirezionalmente secondo gradiente e contro gradiente di concentrazione (trasporto di soluti); - risponde a stimoli chimico-fisici provenienti dall’ambiente extracellulare trasducendoli in attivazione di segnali intracellulari che modificano le attività della cellula (trasduzione del segnale); - garantisce il contatto, adesione e scambio con le cellule circostanti (interazione con cellule ed ambiente extracelllulare). Modello a mosaico fluido Singer e Nicholson, nel 1972, proposero il modello a mosaico fluido che ipotizza una membrana come un mosaico di proteine (1) incluse in modo discontinuo in un doppio strato lipidico fluido (2) (ricco di acidi grassi insaturi). Viene detto fluido perché è formato da diversi componenti e fluido perché si spostano. Componenti della membrana plasmatica Componente lipidica: - fosfolipidi: fosfogliceridi e sfingolipidi; - colesterolo. Componente proteica: - proteine integrali; - proteine periferiche; - proteine ancorate ai lipidi Componente glucidica: - oligosaccaridi; - glicolipidi (carboidrato legato al lipide) - glicoproteine (carboidrato legato alla proteina) La struttura della membrana plasmatica In acqua le interazioni delle code idrofobiche e delle teste idrofiliche generano un doppio strato fosfolipidico. Le teste sono dirette verso l’esterno, dove interagiscono con l’acqua che le circonda. Le code sono rivolte verso l’interno. Caratteristiche: - doppio-strato fosfolipidico; - teste idrofile dei fosfolipidi verso l’esterno; - code idrofobiche verso l’interno del doppio strato; - proteine e glicoproteine associate; - carboidrati; - mosaico fluido. La fluidità è influenzata da vari fattori come la composizione in lipidi e la temperatura. La disposizione ordinata delle molecole di fosfolipidi rende la membrana cellulare un cristallo liquido. Le catene idrocarburiche sono in costante movimento, permettendo così a ciascuna molecola di muoversi lateralmente sulla stessa faccia del doppio strato. La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipendono fondamentalmente dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana. La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipendono fondamentalmente dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana. Proteine di membrana Ciascuna membrana cellulare ha un set specifico di proteine che permettono alla membrana di svolgere le proprie specifiche attività. Le proteine di membrana sono integrali o periferiche. Le proteine integrali transmembrana contengono una o più  eliche transmembrana. Altre proteine integrali sono ancorate alle membrane mediante catene di carboidrati attaccate in maniera covalente. Attraversano completamente il doppio strato lipidico. Le proteine periferiche sono associate alle teste polari dei lipidi di membrana. Le funzioni della membrana dipendono dal tipo di proteina: - alcune, dette recettori, riconoscono e legano una proteina specifica; - alcune svolgono il ruolo di enzimi per la catalisi di reazioni intra- o extracellulari; - altre rivestono una funzione di riconoscimento, identificano altre proteine o agenti estrane. Perché ci sono così tante varietà di proteine? Il trasporto attraverso le membrane La struttura della membrana la rende permeabile in maniera selettiva a sostanze apolari ed a piccole molecole polari. Gli ioni non passano attraverso lo stato fosfolipidico, come anche altre grosse molecole. Devono avere determinate proteine che gli permettono il passaggio. Invece passano senza problemi molecole piccole, idrofobiche, l’acqua (attraverso a canali chiamati acquoporine), ossigeno, anidride carbonica. Quali meccanismi regolano il movimento di “sostanze” fra due compartimenti qualsiasi? Il gradiente di concentrazione è la differenza di concentrazione tra due aree diverse. Se i soluti si muovono da un’area ad alta concentrazione a una a bassa concentrazione si muovono secondo gradiente, senza usare energia (passivo), se si spostano da un’area a bassa concentrazione a una ad alta si muovono contro gradiente, usando quindi energia (attivo). Il trasporto attivo non è un passaggio naturale e serve energia. I processi passivi possono avvenire per diffusione semplice La diffusione semplice è il movimento netto di sostanze da un’area a concentrazione maggiore a un’area a concentrazione minore. Le sostanze attraversano le membrane cellulari tramite: - processi passivi: la sostanza attraversa la membrana secondo il gradiente di concentrazione, utilizzando solo la propria energia di movimento; - processi attivi: l’energia cellulare, sotto forma di ATP, viene utilizzata per spingere la sostanza attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione. Trasporto passivo La diffusione consiste nel passaggio di molecole attraverso la membrana plasmatica senza consumo di energia, perché il movimento avviene secondo il gradiente di concentrazione (o di pressione o di carica elettrica). Soltanto alcune molecole possono essere trasportate con questa modalità, come l'acqua, le molecole liposolubili come alcune vitamine e i gas disciolti, come CO e O. Se le molecole passano attraverso la membrana si chiama diffusione semplice, se passa attraverso canali proteici si chiama diffusione facilita. Ci sono due modelli di diffusione facilitata: - Canali proteici, crea attraverso lo stato fosfolipidico una zona idrofilica dove gli ioni positivi possono passare - Proteine trasportatrici, con siti specifici di legame con le molecole che devono trasportare. Queste proteine sono proteine integrali perché passano da un lato all’altro. Trasporto attivo Richiedono energia, ma consentono di spostare sostanze contro un gradiente Nei processi attivi si utilizza l’energia sotto forma di ATP per forzare la sostanza contro il gradiente di concentrazione. I processi attivi possono essere trasporti attivi o trasporti con vescicole Alcune molecole complesse vengono trasportate contro gradiente da proteine integrali che pendono il nome di pompe. Pompe ioniche Le pompe protoniche utilizzano l’energia dell’ATP per trasportatori protoni (ioni idrogeno) attraverso le membrane. L’energia del gradiente elettrochimico che si viene a stabilire sarà poi usata per altri processi. La pompa tende a buttare fuori gli ioni. Un esempio è la pompa Na+/Z+. Endocitosi ed esocitosi Molecole e particelle di dimensioni rilevanti non possono attraversare la membrana nei modi appena descritti. La cellula è tuttavia in grado di catturare o di espellere tali sostanze attraverso un tipo diverso di trasporto attivo transmembrana. La membrana plasmatica circonda una particella nell’ambiente esterno, quindi si fonde dando origine a una vescicola. L’endocitosi è il processo di inglobazione, da fuori a dentro. L’esocitosi è il processo di espulsione, da dentro a fuori. L’endocitosi comprende diversi processi che si differenziano in base alla natura del materiale internalizzato: - Fagocitosi: internalizzazione di materiale solido - Pinocitosi: internalizzazione di liquidi. La pinocitosi è divisa in endocitosi mediata da recettore (clatrina-dipendente) e non mediata (clatrina-indipendente). La fagocitosi è mediata da recettori ma è indipendente, tipica nei protozoi. Nell’uomo è tipica di alcune cellule dette fagociti, i fagociti sono i neutrofili e i macrofagi, il fagosoma è la vescicola che si forma dopo aver inglobato il materiale. La fagocitosi è innescata da recettori sulla membrana plasmatica del fagocita. Ribosomi I ribosomi hanno un sito di legame per l’mRNA e tre siti di legame per il tRNA. Quando un ribosoma si sposta lungo una molecola di mRNA, il polipeptide in formazione si allunga di un amminoacido alla volta. Spesso molti ribosomi sono associati e in fase di traduzione dello stesso mRNA. L’intero complesso di traduzione è detto poliribosoma. Nei ribosomi avviene la sintesi proteica Sistema delle endomembrane Nelle cellule eucariotiche le membrane biologiche suddividono compartimenti morfo- funzionalmente distinti: organelli membranosi. Anche il nucleo è circondato da membrane per separare il suo contenuto acido (nucleoplasma) dal citoplasma. Oltre a separare i compartimenti, le membrane formano superfici di lavoro (enzimi associati alle membrane). Le membrane del nucleo, del reticolo endoplasmatico e dell’apparato del Golgi formano una rete interconnessa da vescicole in cui porzioni delle membrane vengono spostate tra questi organuli. La membrana che circonda il nucleo (membrana nucleare) si collega con il reticolo endoplasmatico attraverso il reticolo endoplasmatico rugoso. Reticolo endoplasmatico Forma un labirinto di membrane ricurve e concentriche intorno al nucleo. Riempie gran parte del citoplasma della cellula. Le membrane circondano cavità formando sacchi formando sacchi appiattiti e strutture tubulari) Domini funzionali separati (enzimi specifici): RE liscio e RE rugoso. Il reticolo endoplasmatico rugoso (RER) caratterizzato da: - Membrane larghe ed appiattite (cisterne) - Posizione prossimale dal nucleo - Lume in continuità con spazio perinucleare e REL - Ribosomi associati alle membrane (ribosomi legati) Funzioni RER: - Sintesi proteine: ribosomi legati: proteine solubili da esportare e proteine per altri organuli; ribosomi liberi: proteine citoplasmatiche strutturali e funzionali - Assemblaggio conformazioni delle proteine - Aggiunta di lipidi o carboidrati complessi (lipoproteine e glicoproteine) Le proteine processate vengono trasferite nei compartimenti bersaglio tramite gemmazione di vescico e di trasporto (smistamento). Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) è caratterizzato da: - aspetto tubulare, reticolo di tubuli membranosi del tutto lisci perché privi di ribosomi; - posizione distale dal nucleo; - lume in continuità con il RER. Funzioni REL: - sintesi lipidi (acidi grassi, fosfolipidi e steroidi); - detossificazione di sostanze tossiche e farmaci, - degradazione del glicogeno nel fegato. Ha come compito quello di detossificare sostanze altrimenti dannose per l'organismo, come ad esempio l'etanolo contenuto nelle bevande alcoliche, farmaci e insetticidi. Per questo motivo ritroveremo una rigogliosa presenza di REL in cellule epatiche. Apparato di Golgi Complesso di sacche membranose appiattite (cisterne) Faccia cis più vicina al nucleo riceve vescicole dal RE Faccia trans più vicina alla membrana plasmatica emette vescicole dirette ad altri compartimenti. Abbonda in cellule che producono glicoproteine Funzioni: - riceve, modifica e smista - proteine sintetizzate nel RE Transitando nell’apparato di Golgi, proteine e lipidi subiscono degli interventi e trasformazioni sostanziali. Le sostanze vengono quindi impacchettate in vescicole di trasporto e dirette verso la membrana plasmatica, dove avrà luogo la secrezione (o esocitosi). Gli organuli del sistema delle membrane interne lavorano in sinergia. Il sistema delle membrane interne corrisponde quindi a una serie di organuli rivestiti da membrana, che comprendono il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi, i lisosomi e le vescicole di trasporto. I vari componenti lavorano in sinergia fino al rilascio delle sostanze all’esterno (secrezione per esocitosi). Smistamento delle proteine Le proteine sintetizzate nel RER devono essere indirizzate ai diversi siti cellulari: lo stesso RE, il Golgi, gli endosomi e i lisosomi. Altre proteine sono destinate al “turn-over” delle membrane plasmatiche Ogni proteina presenta un segnale specifico che indica il destino della proteina stessa (sequenza amminoacidica, un'oligosaccaride, una altra caratteristica strutturale. Lisosomi Sacchetti rivestiti di membrana contenenti enzimi idrolitici (prodotti nel RER) in un ambiente acido (pH 5) Permettono di digerire sia macromolecole introdotte dall’esterno che quelle danneggiate interne Lisosomi primari si formano per gemmazione dalla faccia trans del Golgi. I lisosomi primari si fondono con vescicole endocitotiche o organuli danneggiati formando lisosomi secondari. La cellula gestisce la produzione e il consumo di energia I cloroplasti e i mitocondri sono le «centrali energetiche» cellulari. Tali organuli gestiscono la produzione di energia tramite i processi di fotosintesi e respirazione. Mitocondri Essi sono suddivisi in comparti: - la membrana esterna: liscia ed uniforme, permeabile a piccole molecole; - lo spazio intramembrana: separa le due membrane; - la membrana interna: ripiegata a formare creste mitocondriali, contiene enzimi e proteine strutturali necessarie per il metabolismo ossidativo; - le creste; - la matrice mitocondriale: contiene enzimi e molecole di DNA circolare (1% del DNA totale cellula). Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) attraverso il processo della respirazione cellulare, che consente di liberare l’energia immagazzinata nel glucosio usando ossigeno. La formula chimica della respirazione è: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia Il catabolismo del glucosio in condizioni aerobiche avviene con tre processi in sequenza: - glicolisi; - ossidazione del piruvato; - ciclo dell’acido citrico. Citoscheletro Il citoscheletro, che significa «scheletro della cellula», ne mantiene la forma, contribuisce alla formazione delle giunzioni tra cellule e permette il movimento sia della cellula stessa sia dei suoi organuli. Il citoscheletro degli eucarioti è costituito da tre tipi di elementi: - filamenti di actina, microfilamenti; - filamenti intermedi; - microtubuli. Strutture interconnesse con legami deboli, garantendo dinamismo: assemblaggio e disassemblaggio. Funzioni: - sostegno meccanico e mantenimento della forma; - movimento cellulare e dinamica del ciclo cellulare; - sistema viario per il trasporto all’interno della cellula. Le cellule di un organismo pluricellulare instaurano relazioni ben precise con le cellule adiacenti e con la matrice interposta. Tali interazioni regolano le attività cellulari e determinano l’organizzazione tridimensionale di tessuti e organi. La matrice extracellulare (MEC) Funzioni: - supporto meccanico all’esterno della cellula e collante tra cellule; - fornisce segnali chimici e fisici che controllano l’omeostasi cellulare; - abbonda nei tessuti connettivi; - forma la lamina basale alla base degli epiteli ed intorno a cellule muscolari, adipose e nervose. Caratteristiche: - componente fibrosa (collagene); - fibronectine; - laminine; - componente gelatinosa (proteoglicani). Ogni cellula comunica con le cellule adiacenti. Le cellule animali sono connesse tra loro tramite tre tipi di giunzioni: - giunzioni di ancoraggio o desmosomi: sono fonte di stabilità meccanica per i tessuti come la pelle devono sostenere forti stress fisici. Creano un’adesione stretta tra due cellule adiacenti, tuttavia questo tipo di connessione permette il passaggio dei materiali attraverso di essa e negli spazi intercellulari; - giunzioni occludenti o serrate: es. tessuto epiteliale vescica. Esse formano una costa di “cucitura” che blocca il passaggio dei materiali disciolti attraverso lo spazio tra le cellule epiteliali; - giunzioni comunicanti o giunzioni gap: nel cuore le giunzioni di questo tipo permettono la rapida diffusione della corrente elettrica mediata da ioni, che consente alle cellule cardiache di battere contemporaneamente. ACIDI NUCLEICI Acido Ribonucleico (RNA) materiale necessario per l’espressione dell’informazione genetica contenuta nel DNA. Gli acidi nucleici sono lunghi polimeri lineari di nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da una base azotata, uno zucchero (pentoso) e 3 gruppi fosfato Nel DNA lo zucchero si chiama desossirobosio, mentre nell’RNA si chiama ribosio e differisce per l’assenza di un atomo di ossigeno Acido desossiribonucleico (DNA) =materiale nel quale è depositata l’intera informazione genetica della cellula acido ribonucleico (RNA) =materiale necessario per l’espressione dell’informazione genetica contenuta nel DNA. I gruppi fosfato servono a fornire l’energia necessaria alla formazione del legame nucletodico che avviene tramite una reazione di condensazione portando alla formazione di un legame fosfodiesterico. Catena polinucleotidica Le estremità di una catena sono distinte e hanno proprietà chimiche diverse Per convenzione la sequenza di nucleotidi viene letta in direzione 5’ → 3 L’RNA è un polimero di nucleotidi a singolo filamento Gli appaiamenti non sono casuali: l’adenina può appaiarsi solo con la timina, formando due legami idrogeno, mentre la citosina con la guanina, formando tre legami a idrogeno. La sequenza (cioè l’ordine in cui si susseguono i nucleotidi del polimero) di un filamento della doppia elica non potrà essere identica a quella dell’altro filamento, ma sarà complementare. La conformazione a doppia elica del DNA si deve agli esperimenti condotti da Rosalind Franklin, che adottando una tecnologia nota come diffrazione ai raggi X riuscì per la prima volta a dare un «volto» alla molecola di DNA. In particolare, Erwin Chargaff definì che la quantità di adenina era uguale a quello della timina e che l’ammontare di guanina fosse uguale a quello di citosina, di conseguenza la quantità totale di purine (A+G) era uguale a quello delle pirimidine (T+C). Watson e Crick teorizzarono, sulle basi dei dati forniti dalla Dr.ssa Franklin, che la doppia elica fosse costituita da due filamenti antiparalleli che andavano cioè in direzione opposta, 5’→3’ 3’→5’. Per soddisfare la regola di Chargaff (A=T) e (C=G) la purina su un filamento si appaiava sempre ad una pirimidina sul filamento opposto. Questo meccanismo è chiamato appaiamento complementare delle basi. DNA= materiale nel quale è depositata l’intera informazione genetica della cellula. A doppio filamento = doppia elica. I due filamenti sono diversi ma complementari. Lo zucchero è il desossiribosio (in 2’ H). La timina si appaia con l’adenina, la citosina con la guanina. Ciascun filamento della doppia elica originaria fa da stampo per il filamento complementare di nuova sintesi. Lo scheletro di zuccheri e fosfati forma una spirale nella parte esterna mentre le basi azotate stanno all’interno. Le due catene sono complementari e antiparallele I legami tra nucleotidi in ciascuna catena sono legami covalenti, mentre quelli che uniscono i filamenti appaiati sono legami a idrogeno. L’elica ha avvolgimento destrogiro che crea un solco maggiore e un solco minore che si basa sulla distanza degli zuccheri (in giallo) Il DNA è organizzato a formare i cromosomi. Nei procarioti è presente una sola molecola di DNA, quindi un solo cromosoma circolare nel citoplasma. Negli eucarioti l’informazione l’informazione genetica è suddivisa in diverse molecole di DNA, ciascuna delle quali costituisce un cromosoma, localizzati nel nucleo, dove avvengono anche replicazione e trascrizione. Numero e caratteristiche dei cromosomi sono tipici di ogni specie. Ad esempio, l’uomo ha 23 coppie di cromosomi diversi. Il nucleo è delimitato dall’involucro nucleare, costituito da due membrane, composte da un doppio strato fosfolipidico, che rivestono la superficie del nucleo. A interrompere la continuità spaziale dell’involucro nucleare sono i pori nucleari, ovvero un complesso proteico con un largo buco centrale che permette a piccole molecole di diffondere liberamente tra nucleo e citoplasma. Organizzazione DNA Strutture di 8 istoni costituiscono un nucleosoma (sono due unità per ciascun istone) intorno al quale si avvolgono 146 nucleotidi della doppia elica che fanno un doppio avvolgimento a cui si unisce un DNA linker di 50 bp. Il singolo nucleosoma costituisce una perla della struttura a collana di perle. Replicazione del DNA È un meccanismo semiconservetivo, ciascun filamento della doppia elica originaria fa da stampo per il filamento complementare di nuova sintesi. Ciascuna nuova molecola di DNA è costituita da un filamento parentale (in blu) ed uno neosintetizzato (in giallo) Questo è possibile grazie a un complesso di numerosi enzimi e proteine. L’enzima centrale è la DNA polimerasi, che genera una copia complementare di ciascun filamento del DNA originale. La replicazione inizia da punti specifici, le origini di replicazione. La replicazione del DNA inizia con il legame di un grosso complesso proteico, il complesso di pre-replicazione che si lega ad un sito specifico chiamato origine di replicazione (ORI). Di questo complesso fa parte la DNA polimerasi, che catalizza l’aggiunta di nucleotidi al filamento di DNA in crescita. Nei procarioti il filamento di DNA circolare viene aperto a livello dell’ori dove si lega il complesso di pre-replicazione, il quale svolgerà il DNA in entrambe le direzioni dando origine a due forcelle di replicazione. La velocità è di circa 1000bp/ secondo per cui in 40 minuti tutto il cromosoma viene replicato. Negli eucarioti i filamenti sono molto lunghi, anche milioni di bp e sono lineari. Questo fa si che, perchè la replicazione si verifichi in tempi brevi, ci siano più siti ORI ai quali si possono legare i complessi di pre-replicazione, dispersi ad intervalli di 10000- 40000bp. Anche in questo caso le forcelle di replicazione si muovono in direzioni opposte. Le due fasi di replicazione 1) La doppia elica del DNA viene denaturata per separare i due filamenti STAMPO e per renderli così disponibili per nuovi appaiamenti di basi 2) Man mano che i nucleotidi si appaiano al filamento stampo vengono uniti da legami covalenti fosfodiestere a formare un filamento con sequenza di basi complementare a quella del filamento stampo. Gli step di replicazione (prima parte): 1) i due filamenti si separano in un processo chiamato denaturazione. 2) le forze che tengono uniti i due filamenti ed i legami h vengono rotti dalle dna elicasi. 3) i filamenti separati vengono inoltre legati dalle single strand binding protein (ssbp) che impediscono che i due filamenti si riuniscano. 4) la primasi sintetizza un filamento di RNA complementare al filamento stampo, il primer. 5) la dna polimerasi si può legare all’ori e aggiungerà quindi nucleotidi all’estremità 3’ del primer, che successivamente verrà degradato, così la nuova molecola sia costituita esclusivamente da DNA. Legame fosfodiesterico Il concatenamento dei nucleotidi per formare le catene polinucleotidiche avviene tramite la formazione di un secondo estere da parte del fosfato già legato al carbonio in posizione 5′ di un nucleotide. Il fosfato, infatti, reagisce con il gruppo alcolico in posizione 3′ del nucleotide adiacente: il legame che si forma è detto legame fosfodiesterico, in quanto il fosfato forma due esteri, fungendo da ponte le due molecole di ribosio o desossiribosio. Si vengono così a formare catene lineari di lunghezza indefinita, che presentano uno “scheletro” costituito dalla regolare alternanza di zucchero e fosfato, dal quale sporgono le basi azotate che caratterizzano ciascun nucleotide. Le due estremità della catena non sono equivalenti: quella che presenta un fosfato libero (non impegnato in un legame fosfodiesterico) è detta estremità 5′, quella che presenta un gruppo alcolico in 3′ libero, estremità 3′. Per convenzione, la sequenza dei nucleotidi lungo gli acidi nucleici viene descritta a partire dall’estremità 5′ (viene letta in direzione 5′ → 3′). La replicazione avviene in direzione 5’ → 3’. Il filamento guida è sintetizzato senza interruzione nella direzione della forca di replicazione. Il filamento ritardato invece viene sintetizzato in direzione opposta in entrambi i casi, comunque, la sintesi parte da dei primer di RNA il filamento ritardato, viene sintetizzato come una serie di corti frammenti, chiamati frammenti di Okazaki. Step di replicazione (seconda parte): 6) Quando la DNA polimerasi ha sintetizzato il filamento, i primer di RNA vengono rimossi e UNA differente DNA polimerasi rimpiazza queste parti mancanti con nuovo DNA. 7) La piccola interruzione rimanente fra due frammenti di okazaki consecutivi, viene giuntata dalla DNA ligasi che catalizza la formazione del legame fosfodiesterico. Per la sintesi del filamento guida (leading) è necessario un solo primer. Nel filamento ritardato (lagging), ogni frammento di okazaki richiede invece un suo proprio primer. Dopo che ciascun frammento è stato esteso ad opera della polimerasi, il primer viene degradato e i vuoti vengono riempiti da una nuova DNA polimerasi. Il nuovo DNA viene poi saldato ai frammenti adiacenti. Gli enzimi coinvolti nella replicazione Telomeri All’estremità dei cromosomi sono presenti delle sequenze ripetute (TTAGGG), chiamati telomeri, che si ripetono circa 2500 volte. Queste sequenze svolgono un ruolo di protezione dell’informazione genetica. Nel caso dei frammenti di okazaki, una volta che il primer viene rimosso non può essere rimpiazzato da nuovo DNA perché non c’è spazio per un nuovo sito di innesco. Questo comporterebbe che ad ogni replicazione, una porzione di cromosoma andrebbe perso (circa 50-250 bp). Questo processo viene evitato da un enzima chiamato telomerasi, che catalizza l’aggiunta dei nucleotidi necessari a ripristinare la sequenza telomerica. Questo meccanismo è tipico delle cellule staminali. Gli errori di replicazione possono essere riparati. La DNA polimerasi ha un tasso di errore abbastanza alto, circa 1 base errata ogni 100000 replicate. Considerando che una cellula umana ha circa 3 miliardi di bp, questo implica che per ogni divisione cellulare il nostro genoma accumulerebbe 60000 errori di replicazione (mutazioni). Inoltre, esistono anche fattori fisici che possono danneggiare il DNA come: radiazioni ionizzanti, luce uv, agenti cancerogeni. Come viene evitato tutto ciò? Mediante i meccanismi di riparazione del DNA. La divisione cellulare Gli organismi si possono riprodurre in due modi: - via asessuata dando origine a dei cloni dell’organismo di partenza. L’ unico modo per cui la «progenie» sia diversa dal genitore è che siano stati introdotti dei cambiamenti casuali nel codice genetico. Questi cambiamenti prendono il nome di mutazioni e possono essere dovuti a fattori ambientali o a errori nella replicazione del DNA. Generalmente avviene per scissione binaria nei procarioti e per mitosi negli eucarioti. I geni e caratteri ereditati sono identici a quelli del genitore = si genera un clone. L’ unico modo per cui la «progenie» sia diversa dal genitore è che siano stati introdotti dei cambiamenti casuali nel codice genetico. - via sessuata. La riproduzione sessuata richiede invece la fusione di due cellule specializzate dette gameti originatisi attraverso un processo chiamato meiosi. La riproduzione sessuata determina un forte rimescolamento genetico legato alla fusione dei due gameti. La diversità genetica che ne deriva è alla base del processo della selezione naturale e dell’evoluzione. L’unione di due cellule sessuali specializzate, i gameti, per formare un’unica cellula chiamata zigote. Determina un forte rimescolamento genetico legato alla fusione dei due gameti. Riproduzione nei procarioti La scissione binaria è una sequenza di eventi finemente regolata che assicura che ciascuna cellula batterica figlia abbia un identico materiale genetico. Essendo privi di nuclei, i procarioti si dividono per scissione binaria →processo di riproduzione assessuata in cui una cellula si divide in due cellule figlie Il DNA procariotico consiste solitamente in un singolo cromosoma circolare impacchettato con proteine associate. La molecola di DNA circolare si replica, dando origine a due cromosomi identici. La replicazione del DNA inizia in un punto specifico del cromosoma batterico (ORI) e procede in entrambe le direzioni fino a quando le estremità si ricongiungono Man mano che procede le due copie di DNA si posizione ai poli opposti della cellula che si inizia così a dividere in un processo chiamato segregazione. Il processo si conclude con la citodieresi. Un processo che vede la formazione di un anello di fibre sulla superficie interna della membrana che forma una strozzatura fino a determinare la divisione. Riproduzione negli eucarioti Nelle cellule eucariotiche processo di divisione prevede le stesse tappe viste nella scissione binaria, ma il processo implica la replicazione dell'informazione genetica di tutti cromosomi. Questo processo di divisione cellulare in cui si alternano distinte fasi prende il nome di ciclo cellulare. Nel ciclo cellulare possiamo quindi distinguere la fase m (mitosi) che inizia al termine del ciclo precedente. Segue l’interfase che è costituita da 3 sottofasi G1, S, G2. Nella fase g1 la cellula cresce di dimensioni e produce del materiale che verrà ripartito nelle due cellule. Nella fase s si verifica la replicazione dell’informazione genetica. Nella fase G2 la cellula si prepara alla mitosi. Esiste anche una fase chiamata G0 in cui la cellula esce dalla fase replicativa (quiescenza). Interfase La fase nella quale la cellula trascorre la maggior parte della propria vita. Non avviene la divisione cellulare. La cellula è metabolicamente attiva = sintesi di proteine, lipidi e degli altri materiali biologicamente importanti. Fase di accrescimento della cellula. Composta da: - Fase G1, non c’è sintesi di DNA, la cellula cresce di dimensione - Fase S, è la fase di sintesi, quindi replicazione del DNA - Fase G2, aumento della sintesi proteica, stadio terminale della preparazione della cellula alla divisione. Ogni cromosoma durante la fase S viene duplicato e consiste in una coppia di unità identiche = cromatidi fratelli, associati a livello del centromero. Fase M Mitosi, divisione nucleare he produce due nuclei identici a quello della cellula madre. Citodieresi, divisione del citoplasma per formare due cellule. Mitosi Il meccanismo che assicura che la cellula madre trasmetta una copia di ogni cromosoma a ciascuna delle cellule figlie. In tal modo, il numero dei cromosomi è mantenuto uguale a ogni divisione mitotica. La maggior parte delle cellule somatiche (cellule del corpo) di un organismo eucariotico si duplica per mitosi. La mitosi è un processo continuo che viene suddivisa in cinque stadi: 1. Profase 2. Prometafase 3. Metafase 4. Anafase 5. Telofase Profase Durante questa fase, la cromatina comincia gradualmente a condensarsi in cromosomi che rappresentano la modalità più agevole secondo la quale la cromatina potrà essere ripartita alle due cellule figlie. Ogni cromosoma risulta costituito da due cromatidi fratelli, risultato della duplicazione del DNA avvenuta durante la precedente interfase. Il nucleolo, sede della sintesi degli rRNA e del loro assemblaggio con alcune proteine, scompare in questa fase, dal momento che vi è un’inibizione dei processi di sintesi. Nel citoplasma, i centrioli che si sono duplicati durante la fase S e che per tutta la durata della fase G2 sono rimasti vicini l’uno all’altro, raggiungono i poli opposti del nucleo mentre da essi si irraggiano i microtubuli che andranno a costituire il fuso mitotico. Alla fine della profase si assiste alla disgregazione dell’involucro nucleare, processo reso possibile dalla lamina nucleare. Quest’ultima, in profase, va incontro a delle modifiche che determinano la dissoluzione e la successiva riformazione dell’involucro nucleare nelle diverse fasi della mitosi. In interfase, al contrario, la lamina fornisce un supporto meccanico all’involucro nucleare. Prometafase L’inizio della prometafase è segnato dalla completa disgregazione dell’involucro nucleare che era iniziata alla fine della profase. Tale evento è reso necessario per consentire alle fibre del fuso mitotico di raggiungere il cinetocore di tutti i cromosomi. Il fuso mitotico è costituito da 3 tipi di fibre, tutte composte da microtubuli: - le fibre astrali che partono da ciascun centrosoma e si irradiano verso la periferia cellulare; - le fibre cromosomiche o del cinetocore, che si legano al cinetocore dei cromosomi; - le fibre polari o interpolari che si dipartono da ciascun centrosoma e che sul piano equatoriale si sovrappongono con quelle provenienti dall’altro centrosoma Metafase In metafase si completa il processo di condensazione della cromatina che rende ben visibili i cromosomi al microscopio ottico: essi appaiono formati da due cromatidi fratelli uniti in corrispondenza del centromero. In questo momento i cromosomi sono perfettamente posizionati sul piano equatoriale del fuso mitotico, equidistanti da entrambi i poli e allineati sulla cosiddetta piastra metafasica. Anafase Durante questa fase i cromatidi fratelli si separano e migrano verso i poli opposti del fuso. Nell’anafase si ha la completa degradazione della coesina, la proteina che fino a questo momento ha consentito ai due cromatidi fratelli di restare uniti consente la loro separazione. Tale separazione avviene contemporaneamente per tutti i cromosomi che compongono il corredo cromosomico della cellula e in questa fase i cromatidi fratelli, ormai diventati cromosomi, migrano ai poli opposti della cellula. Tale processo deve avvenire nel modo più accurato possibile, al fine di assicurare che ai due poli opposti della cellula si venga a trovare lo stesso numero di cromosomi presenti nella cellula madre. A tale processo contribuiscono le fibre del fuso e le proteine motrici associate ai microtubuli. In particolare, in questo momento lo spostamento dei cromosomi ai poli opposti è anche dovuto all’accorciamento delle fibre del cinetocore, a causa della perdita di subunità di tubulina all’estremità “più” e all’estremità “meno” dei microtubuli. Telofase È la fase finale del processo mitotico. Qui i cromosomi, costituiti da un singolo cromatidio, raggiunti i due poli opposti della cellula, cominciano a despiralizzarsi, mentre il fuso mitotico scompare e si ricostituisce l’involucro nucleare. Citodieresi Consente alla cellula di dividersi in due cellule figlie. Tale processo, nelle cellule animali prevede che la membrana plasmatica subisca una strozzatura in seguito alla formazione di un anello contrattile (costituito da fasci di microfilamenti di actina associati alla miosina). Poiché l’anello contrattile è strettamente legato alla membrana plasmatica, la sua contrazione comporta un aumento della profondità della strozzatura fino a portare alla divisione nelle due cellule figlie. La divisione cellulare è regolata. Le cellule di un organismo eucariotico si dividono solo quando necessario, es nel nostro organismo le cellule presentano tassi di duplicazione differenti, in base a quanto un tessuto cambia Anche l’inibizione da contatto, in cui il ciclo cellulare viene inibito dal contatto con altre cellule, dipende da molecole segnale esterne. Queste forme di inibizione vengono perse nel cancro. Meiosi La meiosi è un tipo particolare di divisione cellulare che riduce il numero di cromosomi È un processo che prevede che una cellula diploide vada incontro a due divisioni cellulari successive, producendo potenzialmente quattro cellule aploidi (ogni cellula aploide contiene membro di ciascuna coppia di omologhi). Le quattro cellule figlie, pur contenendo tutte il medesimo numero di cromosomi, non sono geneticamente identiche l’una all’altra, ma contengono combinazioni geniche uniche. Cromosomi omologhi I cromosomi omologhi sono due copie dello stesso cromosoma con la stessa tipologia di geni. Ogni cromosoma ha quindi il suo omologo. Due cromosomi della stessa coppia, uno di origine materna e una paterna. Portano informazioni genetiche degli stessi caratteri. Cellule diploidi: cellule i cui nuclei contengono due serie di cromosomi omologhi. Il numero totale dei cromosomi è detto diploide e di abbrevia con la sigla 2n. Le cellule somatiche sono diploidi. Cellule aploidi: cellule i cui nuclei possiedono un numero pari alla metà dei cromosomi tipici della specie. Si abbrevia con la sigla n. Si tratta di cellule germinali, dette GAMETI, preposte alla riproduzione sessuata. In ogni organismo sono presenti: - Cellule somatiche, ne costituiscono i tessuti e il corpo, vanno incontro a mitosi. - Cellule germinali, specializzate nella funzione riproduttiva, vanno incontro a meiosi. Gameti maschili Nel maschio la cellula sessuale specializzata, lo spermatozoo deriva da un precursore, lo spermatocita, diploide. Gameti femminili Nella femmina, le divisioni meiotiche sono asimmetriche, con la formazione finale di una cellula uovo di grandi dimensioni e tre globuli polari di scarto. Meiosi La meiosi è un processo che comporta due divisioni successive e che produce quattro nuclei che contengono la metà dei cromosomi rispetto alla cellula originaria. Le quattro cellule figlie, pur contenendo tutte il medesimo numero di cromosomi, non sono geneticamente identiche l’una all’altra. Come la mitosi, la meiosi è preceduta da un’interfase che comprende una sottofase s durante la quale si ha la duplicazione di ciascun cromosoma. Perciò all’inizio della meiosi ogni cromosoma è composto da due cromatidi fratelli, tenuti insieme dalle proteine del cinetocore. Per convenzione, le due divisioni della meiosi sono chiamate - meiosi i (riduzionale) - meiosi ii (equazionale) Ciascuna di esse è suddivisa in fasi che prendono lo stesso nome delle fasi mitotiche (profase, metafase, anafase, telofase). Si tratta di due successive divisioni nucleari e citoplasmatiche, da cui hanno origine fino a quattro cellule. Ci sono 2 divisioni, ma una sola duplicazione del dna (durante la fase s). La meiosi I si compone delle seguenti fasi: profase I, metafase I, anafase I e telofase I. Ed è definita divisionale. La meiosi II, simile alla mitosi, è detta equazionale: le due cellule aploidi formatesi nella meiosi I, vanno incontro a divisione per dare origine a quattro cellule aploidi (gameti). La profase I, le cui durata e complessità sono diverse dalla profase mitotica, si compone, a sua volta, di 5 sottofasi: leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi. Meiosi 1 I cromosomi omologhi si appaiano, aderendo l’uno all’altro per tutta la lunghezza, questo appaiamento prende il nome di sinapsi. Dopo la metafase (I) i cromosomi omologhi si separano, mentre i cromatidi di uno stesso cromosoma restano uniti Meiosi 2 La MEIOSI II assomiglia per molti versi alla mitosi durante la PROFASE II i cromosomi si condensano nuovamente; nella METAFASE II, in ciascuno dei due nuclei prodotti dalla MEIOSI I, i cromosomi si allineano; i centromeri dei cromatidi fratelli si separano; nell’ANAFASE II, i cromosomi figli migrano verso i poli; le cellule si dividono dando origine a quattro cellule aploidi. Crossing-over Il processo di appaiamento è finalizzato al processo di crossing-over, un evento di ricombinazione che consente lo scambio di informazioni genetiche tra regioni corrispondenti dei cromosomi omologhi. Tale evento coinvolge i cromatidi non fratelli. Questi durante il crossing-over subiscono delle rotture in punti esattamente corrispondenti che consentono lo scambio di segmenti di DNA. Dopo che le interruzioni vengono chiuse, allo stadio di diplotene, i complessi sinaptonemali si disassemblano e gli omologhi rimangono uniti in punti, detti chiasmi, corrispondenti ai siti di crossing-over. Riassunto Traduzione e trascrizione L’RNA e la Trascrizione dell’RNA messaggero La molecola di DNA è coinvolta non solo nella conservazione dell’informazione genetica di generazione in generazione tramite il processo della replicazione, ma anche nel controllo del fenotipo attraverso il processo di espressione genica, composto dal processo di trascrizione (DNA stampo → mRNA) e dal processo di traduzione (mRNA → proteina). RNA nella cellula Nella cellula esistono diversi tipi di RNA con specifiche funzioni: - RNA messaggero (mRNA): contiene l’informazione corrispondente a una proteina e ne rende possibile la sintesi da parte del ribosoma; - RNA ribosomiale (rRNA): essenziale per la formazione del ribosoma. È l’RNA più abbondante nella cellula; - RNA transfer (tRNA): essenziale per il trasporto degli amminoacidi Differenze tra DNA e RNA DNA RNA È formato da Doppio filamento Singolo filamento Zucchero Desossiribosio Ribosio Basi azotate A, T, C, G A, U, C, G Nelle cellule eucariote si trova Nel nucleo Nel nucleo e nel citoplasma Funzione di Depositario dell’informazione Intermediario tra DNA e genetica costruzione di proteine specifiche Il nucleo è delimitato dall’involucro nucleare formato da 2 membrane, composte da un doppio strato fosfolipidico, che rivestono la superficie del nucleo. A interrompere la continuità spaziale dell’involucro nucleare ci sono i pori nucleari, un complesso proteico con un largo buco centrale che permette a piccole molecole di diffondere liberamente tra nucleo e citoplasma. Il nucleolo è area di assemblamento dei ribosomi (composti da rRNA e proteine). Dai pori nucleari possono passare molecole: RNA messaggero, fattori trascrizionali e tRNA. Il DNA non può mai uscire dal nucleo. Trascrizione Processo di biosintesi di una molecola di RNA a singolo filamento a partire da uno dei due filamenti del DNA che funge da stampo ossia... L’informazione contenuta in una sequenza di DNA (un gene) viene copiata in una sequenza di complementare di RNA. Avviene nel nucleo della cellula L’mRNA prodotto è una catena complementare a quella del DNA stampo ma con uracile al posto di timina. Effettori = RNA polimerasi = sintetizzano il filamento di RNA in direzione 5’-> 3’ Possiamo identificare 3 fasi: inizio, allungamento e terminazione La trascrizione è il processo di biosintesi di una molecola di RNA a singolo filamento a partire da uno dei filamenti del DNA che funge da stampo. Gli effettori del processo di trascrizione sono le RNA polimerasi, enzimi che, utilizzando come substrati i ribonucleotidi trifosfato, sintetizzano il poliribonucleotide in direzione 5′ → 3′ sull’elica stampo di DNA che viene letta in direzione 3′ → 5′. Fase 1: Inizio Il promotore è una specifica sequenza di DNA a cui l’RNA polimera sia i lega molto saldamente. Indica all’RNA polimerasi dove iniziare la trascrizione, quale filamento leggere e la direzione da prendere dal sito d’inizio. La trascrizione negli eucarioti richiede 4 sequenze: - Sequenza iniziatrice (Inr): a cavallo del punto di inizio della trascrizione, solitamente inizia con una adenina - TATAbox sita tra i -10 e -25 nucleotidi a monte del sito di inizio - TFIIB (BRE), sono elementi di riconoscimento a monte della TATAbox - Elemento promotore a valle (DPE), localizzato 30 nucleotidi a valle del punto di inizio della trascrizione (Inr) Un promotore guidato solo dalla TATA o dal DPE è capace di sostenere un livello basale di trascrizione. Tuttavia la maggior parte dei geni ha ulteriori sequenze come la CAAT box o la GC box che aumentano l’efficienza del promotore. Fase 2: Allungamento Fase 3: Terminazione I segnali di terminazione sono nella sequenza di DNA, ma espletano la loro funzione solo quando sono trascritti in mRNA. Processo completo Maturazione dell’mRNA dal pre-mRNA all’RNA maturo Nei procarioti gli RNA messaggeri sono soggetti a scarsi eventi di rimaneggiamento post- trascrizonale, anche perché i processi di trascrizione e traduzione avvengono simultaneamente e nel medesimo compartimento. Per contro, i trascritti destinati ad originare rRNA e tRNA subiscono diversi eventi maturativi quali la rimozione di sequenze spaziatrici e le modifiche biochimiche delle basi azotate in seguito alle quali si originano basi non canoniche. Nelle cellule eucariotiche tutti i trascritti vanno incontro a processi maturativi che, quasi sempre, avvengono a livello nucleare e rappresentano la condizione necessaria per il passaggio dal nucleo al citoplasma attraverso il sistema dei pori nucleari. Modificazioni principali: - Aggiunta di una guanosina modificata all’estremità 5’ = CAP = necessario per il legame dell’mRNA alla subunità minore del ribosoma - Aggiunta di una sequenza di adenosine - Eliminazione delle sequenze interposte (introni) e riunificazione delle sequenze espresse (esponi) Questi cambiamenti portano all’mRNA maturo. Splicing dell’mRNA Il processo che vede l’eliminazione delle sequenze interposte (introni) e la riunificazione delle sequenze espresse (esoni) viene definito splicing ed è catalizzato da complessi ribonucleoproteici denominati spliceosomi. Lo spliceosoma è costituito dall’associazione di piccoli complessi di ribonucleoproteine nucleari (snRNP) che si associano su siti specifici del pre-mRNA in corrispondenza di sequenze consensus (GU al 5′ e AG al 3′) funzionali al riconoscimento delle giunzioni esone/introne. Viene prima catalizzata la rottura al 5′P dell’introne, si forma, grazie al branch point adeninico, la struttura a cappio (lariat), seguita dal taglio dell’introne al 3′ e dal risaldamento dei due esoni. Bisogna considerare la possibilità di splicing alternativo riferita al fatto che la stessa sequenza possa essere alternativamente riconosciuta come esonica o come intronica originando dunque trascritti maturi diversi che vengono tradotti in isoforme della proteina con differenti pesi molecolari o addirittura in proteine diverse. Riassumendo L’informazione codificata nella sequenza di DNA viene trasferita nelle molecole di RNA → dove? nel nucleo. Uno dei due filamenti del DNA che funge da stampo → mRNA catena complementare a quella del DNA. Enzima chiave: RNA polimerasi –> sintesi mRNA in direzione 5’-> 3’ Tre fasi: inizio, allungamento, terminazione. Maturazione mRNA = modificazioni 5’ CAP, Coda di poli A e Splicing. La Traduzione dell’RNA messaggero e la sintesi proteica Proteine L’unità base che costituisce la proteina è l’amminoacido. I principali amminoacidi usati per formare le proteine sono 20. Una sequenza di amminoacidi viene definita polipeptide. Le proteine sono sequenze di amminoacidi (polipeptidi) di solito molto lunghi e con organizzazione complessa. Il codice genetico è il sistema per cui le informazioni genetiche «scritte» sui geni del DNA arrivano a operare la sintesi di tutte le proteine necessarie alla vita degli organismi. Il gene ed è la sequenza di DNA che codifica una specifica proteina (più le varianti di splicing) Il codice genetico è un codice a triplette, ovvero un gruppo di tre nucleotidi (codone) dell’mRNA che codifica per un aminoacido della catena polipeptidica. Il codice genetico è ridondante, poiché uno stesso amminoacido è codificato da più di una tripletta. Traduzione La traduzione è il processo con cui viene sintetizzata una data proteina, attraverso reazioni chimiche di polimerizzazione di amminoacidi, in una sequenza di basi dell’mRNA corrispondente. L’apparato cellulare per la traduzione comprende le seguenti componenti, localizzate nel citoplasma: 1. RNA messaggero 2. Ribosomi, complessi enzimatici ribonucleoproteici 3. RNA transfer (tRNA), molecole adattatore che legano ciascuno uno specifico amminoacido e riconoscono uno specifico codone 4. Diversi adattori di inizio, di allungamento e di terminazione della sintesi proteica Il ribosoma è l’organello preposto alla sintesi proteica, ha dimensioni diverse nei procarioti e negli eucarioti. È formato da rRNA (RNA ribosomiale con attività catalitica) e molecole proteiche (ruolo prevalentemente strutturale). Consiste in una subunità minore e una subunità maggiore che si assemblano solo durante la sintesi proteica. Fase 1: Inizio Il complesso di inizio è costituito da un tRNA carico e da una subunità ribosomiale piccola. Dopo il legame con l’RNA messaggero la subunità si sposta fino al codone di inizio (AUG) Si lega quindi un tRNA caricato con la metionina. Si lega la subunità grande del ribosoma che presenta 3 siti (il sito P dove si trova il tRNA con la metionina, un sito A dove si attaccherà un nuovo tRNA con un aa e il sito E dove verrà scaricato il tRNA vuoto).  Fase 2: Allungamento Un tRNA caricato con un nuovo aa entra nel sito A della subunita’ grande del risoboma. Il ribosoma, quindi, catalizza due processi: 1) provoca la rottura del legame fra la metionina ed il suo tRNA nel sito p 2) catalizza la formazione di un legamepeptidico fra la metionina e l’aa che verrà portato dal tRNAe che si trova nel sito a. Dopo che ha rilasciato la metionina il tRNA si sposta nel sito e per dissociarsi dal ribosoma e tornare nel citoplasma dove si caricherà nuovamente con una metionina. Fase 3: Terminazione Ciclo di allungamento della catena peptidica terminerà quando si arriverà ad uno dei codoni di stop (UAA, UGA, UAG) questi codoni legano un fattore di rilascio della proteina che consente l’idrolisi del legame fra la catena polipeptidica e il tRNA nel sito I poli ribosomi Il polisoma aumenta il tasso della sintesi proteica grazie alla possibilità che più ribosomi possano legarsi allo stesso filamento di mRNA. Questo legame di altre subunità ribosomiali si può verificare solo quando il primo ribosoma è sufficientemente distante dal complesso di inizio. Ricapitolando Processo con cui viene sintetizzata una data proteina in una sequenza di basi dell’mRNA corrispondente. Le proteine sono sequenze di amminoacidi (polipeptidi) con organizzazione complessa. Il codice genetico è un codice a triplette → tre nucleotidi (codone) dell’mRNA codificano per un aminoacido di una proteina. L’apparato cellulare per la traduzione: mRNA, ribosomi, tRNA. È suddivisa in 3 fasi: inizio, allungamento e termine. Effetti delle mutazioni sulle proteine Il DNA contiene le informazioni per la sintesi delle proteine. Se la sequenza del DNA è mutata, queste informazioni risultano errate. In qualche caso una proteina non viene prodotta anche se necessaria, in altri viene prodotta al momento o nel posto sbagliato, oppure viene sintetizzata una proteina con caratteristiche diverse da quelle attese. Le mutazioni possono interessare sia la porzione codificante del DNA sia il DNA non codificante. Per esempio, la mutazione può riguardare i promotori sequenze che controllano la trascrizione genica, oppure può toccare sequenze necessarie per la maturazione dell’RNA. Se consideriamo che il cancro dipende dalla proliferazione incontrollata di cellule con DNA alterato, possiamo capire che alcune famiglie di proteine rivestono un ruolo cruciale: mutazioni a loro carico favoriscono la sopravvivenza e la proliferazione di cellule anomale. Cosa può essere mutato: - i fattori di crescita (proteine che stimolano la moltiplicazione delle cellule) e i loro recettori - i fattori di trascrizione (proteine che influenzano la trascrizione di alcuni geni); - le proteine che controllano il ciclo cellulare; - le proteine coinvolte nei meccanismi di riparazione del DNA. Effetti: - mancata produzione della proteina; - una perdita di funzione; - la produzione di quantità abnormi della proteina; - un acquisto di funzione ossia la proteina acquisisce attività che prima non aveva.