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Lezione 1: Metodo scientifico e la teoria dell’evoluzione di Darwin Perche’ quando studiamo i fenomeni naturali necessitiamo del metodo scientifico? Tutti tendiamo a valutare cio’ che osserviamo (fonti di informazione) usando delle scorciatoie cognitive chiamate anche intuizione o pr...

Lezione 1: Metodo scientifico e la teoria dell’evoluzione di Darwin Perche’ quando studiamo i fenomeni naturali necessitiamo del metodo scientifico? Tutti tendiamo a valutare cio’ che osserviamo (fonti di informazione) usando delle scorciatoie cognitive chiamate anche intuizione o pregiudizi o preconcetti Queste scorciatoie sono frutto di processi cognitivi che si sono evoluti per permetterci di rispondere in modo rapido a determinate condizioni Sono influenzate da esperienze personali, caratteristiche personali e da dove provengono queste fonti di informazione Le quattro fonti di informazione 1. Esperienza personale 2. Intuizione 3. Autorità/autorevolezza 4. Metodo scientifico I tipi di intuizioni (bias cognitivi): - Bias della disponibilità = tendenza a giudicare la probabilità di un evento base a quanto facilmente l’evento viene alla mente (eventi rari vengono più facilmente alla mente e percepiti come più probabili) - Euristica della “good story” (modello psicoidraulico dell’aggressività di Lorenz) = innata pulsione per l’aggressività (società reprime l’aggressività e se non viene rilasciata viene sfogata sotto forma di violenza) - Bias del blind-spot = quando si pensa di essere immuni ai bias e solo gli altri ne sono soggetti (il mio punto di vista è quello giusto) - Bias dell’ottimismo = sottostima della probabilità di eventi indesiderati - Bias di conferma (effetto placebo) = le persone tendono a credere maggiormente ad affermazioni che supportano le nostre convinzioni ignorando tutto ciò che ci contraddice - Extension bias = conteggio e architetto tutto per far si che venga dimostrata la mia ipotesi (conto solo eventi a mio favore) Il metodo scientifico L’obiettivo della scienza è quello di accumulare conoscenza attendibile e oggettiva La scienza si basa sulla osservazione di fenomeni ripetibili e la formulazione di ipotesi verificabili sulle loro cause Il metodo scientifico si basa sull’interazione del processo induttivo e quello ipotetico-deduttivo Metodo induttivo: da caso particolare/osservazione/esperienza a principio generale. 1 Osservazione: variabilità e somiglianze grande varietà di modi di vivere/comportamento/caratteristiche morfologiche organismi diversi mostrano somiglianze in alcuni casi somiglianze e differenze possono essere create dall’uomo essere viventi possono essere classificati a seconda di somiglianze e differenze 2 osservazione: adattamento Gli organismi sembrano perfettamente adatti al loro ambiente tali adattamenti sembrano progettati apposta per risolvere particolari problemi la loro struttura e funzione appare intenzionale (progettualità) Come spieghiamo queste osservazioni? approccio creazionista: - la natura è stata creata da Dio - non scientifico - utilizza le sacre scritture per confermare le ipotesi - tutto ciò che è presente nel mondo è statico (perfetto) e di breve durata - gli esseri viventi possono essere classificati in base alla loro perfezione Come potremmo confermare questo principio generale? Metodo ipotetico-deduttivo: dall’osservazione dei fenomeni (intuizione) alla formulazione delle ipotesi fino alle conseguenze Quali erano le evidenze/dati dell’epoca? - molte più specie di quante si pensava (nuove esplorazioni portano alla scoperta di animali esotici) - fossili ed età geologica della terra - presenza di fossili = nuovo evento di creazione/immigrazione di altre specie teoria della variabilità geografica di Darwin: - aree geografiche diverse ma con ecosistemi simili mostrano specie diverse - somiglianza tra specie diverse dipende dalla vicinanza geografica - somiglianza tra fossili e specie viventi migliore nella stessa area geografica IPOTESI: la somiglianza tra specie diverse dipende dal fatto che esse derivano da un progenitore comune ma che nel tempo si sono diversificate (discendenza per modificazioni) Metodo ipotetico-deduttivo Quali sono le previsioni dell’ipotesi di Darwin? - Le specie che hanno un antenato comune dovrebbero somigliarsi - se l’ipotesi dell’origine comune è vera allora la terra deve essere molto antica - l’ipotesi richiede che nuove specie si formino mediante un processo ereditario (non osservabile nell’arco della vita umana) Omologie: somiglianze che permettono di ipotizzare che queste strutture presenti in specie diverse derivino da una progenie comune (stessa struttura che si è adattata a scopi e ambienti differenti) = evoluzione divergente l’evoluzione divergente è dovuta dalla pressione ambientale che agisce sulla diversità genetica (es. dalla struttura degli anfibi primitivi si sono originate le ali degli uccelli, le zampe dei cavalli e le pinne delle balene) strutture vestigiali: omologazioni che rappresentano vestigia (es. serpenti con zampe/balene con femore e anche) Non tutti i caratteri simili derivano però da un antenato comune - analogie: stessa funzione ma no origine comune - evoluzione convergente (es. ali pipistrello e ali di uccello) = nessuno tra gli antenati di uccelli e pipistrelli aveva le ali e queste si sono sviluppate in maniera indipendente nelle due specie Embriologia comparata: organismi affini mostrano quadri di sviluppo embrionale simili Se le specie hanno una discendenza comune mediante modificazione allora deve esistere un meccanismo che: - favorisca caratteri piuttosto che altri (tra gli individui di una specie deve esistere variabilità) - permette la trasmissione di questi caratteri (ereditarietà) - doveva essere simile alla selezione artificiale ma al posto dell’uomo è la natura che seleziona i caratteri che vanno trasmessi = selezione naturale Formulazione dell’ipotesi della selezione naturale: 1. Gli individui di una popolazione variano nelle loro caratteristiche = variabilità 2. ogni specie produce più individui di quanti l’ambiente possa supportare = sovrapproduzione o potenziale riproduttivo 3. le risorse naturali sono limitate = causa competizione 4. successo riproduttivo differenziale = non tutti gli individui hanno le caratteristiche per sopravvivere e quelli che riescono a farlo e riescono a riprodursi svilupperanno una specie sempre più simile Evidenze a favore dell’evoluzione mediante selezione naturale: - fringuelli di Darwin = adattamento - resistenza agli antibiotici Il metodo scientifico Scartare le ipotesi non consistenti con i risultati sperimentali o con le osservazioni. Le ipotesi consistenti con i dati vengono accettate condizionatamente “Quello che si osserva dipende spesso da quello che ci si aspetta di osservare” (Kuhn 1970) Ci permette di evitare l’influenza dei pregiudizi/preconcetti quando testiamo la veridicità di un ipotesi Un ipotesi scientifica deve essere falsificabile Le ipotesi possono essere verificate con esperimenti controllati o con ulteriori osservazioni Le ipotesi che reggono nel tempo e mai falsificate diventano teorie (principio scientifico accettato ampiamente) Se una ipotesi viene verificata da numerosi esperimenti allora si considera “vera oltre ogni ragionevole dubbio” Una teoria scientifica è quindi un’ipotesi provata da un gran numero di evidenze (es. teoria gravitazionale, teoria cellulare, teoria cromosomica dell’eredità, teoria della selezione naturale, teoria dell’evoluzione) è: empirico (si basa su dati e non su esperienza personale), oggettivo (utilizza metodi rigorosi e chiari che permettono a tutti di accedere, valutare e raccogliere dati) e sistematico (le osservazioni sono strutturate in modo tale da poter essere immediatamente valutate in relazione al problema studiato) Teoria scientifica (T): un’osservazione generale dei fenomeni naturali suffragata da risultati consistenti e derivati da numerosi esperimenti ed osservazioni Ipotesi (H): un’osservazione o spiegazione provvisoria ma verificabile di un fenomeno Dati (D): un certo numero di osservazioni che possono supportare o rigettare l’ipotesi Lezione 2: Molecole della vita La complessità biologica è organizzata su vari livelli. Questi sono i seguenti, dal più basso al più alto Livello chimico Livello cellulare Tessuto Organo Sistemi di organi Organismo Popolazione Comunità  Ecosistema Biosfera Due osservazioni importanti 1. Le strutture e le funzioni rappresentate da ogni livello dipendono da funzioni chimico-fisiche: le interazioni tra molecole sono importanti sia ai livelli più bassi, poiché i legami chimici determinano le strutture che si trovano ai livelli superiori; ma anche, per esempio, nella regolazione del comportamento di un organismo conseguente all’interazione dell’organismo stesso con l’ambiente (sia esso inteso come fisico o sociale) 2. Le proprietà delle componenti di un livello non permettono di prevedere le proprietà delle componenti dei livelli superiori. Infatti, dall’interazione tra due componenti con proprietà diverse si ottengono componenti con proprietà completamente diverse. Ogni livello dell’organizzazione biologica possiede proprietà emergenti: proprietà che compare come risultato delle interazioni tra i componenti (es. H2O dove molecole gassose diventano liquide). Il contenuto chimico di tutti gli organismi viventi è caratterizzato da 4 elementi: 1. Azoto (N) 2. Carbonio ( C) 3. Ossigeno (O) 4. Idrogeno (H) Definizione di elemento: - sostanza pura che non può essere scomposta ulteriormente mediante processi chimici - composta da atomi tutti uguali Definizione di atomo: - più piccola unità di materia che mantiene la stessa proprietà di un elemento - composta da nucleo (denso carico positivamente formato da protoni e neutroni) e orbitali esterni (contengono elettroni che circolano attorno al nucleo) - ogni atomo si distingue per numero di protoni (numero atomico) e numero di neutroni -> n.p + n.n = massa atomica Definizione isotopi: - atomi dello stesso elemento che contengono un numero diverso di neutroni (massa atomica diversa) - es. carbonio ha 6 protoni che non possono cambiare ma cambiano i neutroni (si trasforma in azoto) Il nucleo dell’atomo è circondato da un spazio all’interno del quale si muovono gli elettroni. All’aumentare del numero atomico di un elemento, aumenta anche il numero di elettroni. Immagina che attorno al nucleo dell’atomo esistano diverse orbite, ognuna delle quali contiene elettroni che si muovono con più o meno energia. Gli elettroni che si trovano più prossimi al nucleo hanno un livello energetico più basso. Man mano che ci allontaniamo dal nucleo dell’atomo i livelli energetici aumentano. Per gli elementi che affronteremo in questo corso (carbonio, ossigeno, azoto etc.), riconosciamo due livelli energetici. Il primo, quello più basso (chiamato orbitale s) può contenere al massimo 2 elettroni. Il secondo livello è composto da 4 orbitali (un orbitale s e tre orbitali p) che possono contenere al massimo 2 elettroni ciascuno. Definizione elettroni: - diversi livelli energetici a cui corrisponde un certo numero di orbitali  - livello più basso è quello più vicino al nucleo e ha solo un orbitale e può contenere max 2 elettroni -> livello s - livello successivo ha 4 orbitali -> 1 orbitale s e 3 orbitali p ognuno dei quali può mantenere max 2 elettroni - all’aumentare del numero atomico aumentano i livelli energetici Gli atomi possono combinarsi con altri per formare composti chimici Elettroni di valenza: elettroni che si trovano negli orbitali più esterni e hanno maggiore livello energetico Composto chimico: sostanza composta da due o più elementi diversi combinati con un rapporto fisso Molecola: gruppo di due o più atomi tenuti insieme da legami chimici (possono essere =) Legami chimici Legame covalente: gli elettroni di valenza dei due atomi vengono condivisi, legame molto forte e stabile, può avere doppi legami (può essere polare o apolare) Legame covalente polare: legami covalenti caratterizzati dalla condivisione degli elettroni che non è equa, alcuni atomi hanno una maggiore forza di attrazione di attrazione per gli elettroni (elettronegatività), una molecola con legame covalente polare avr delle cariche parziali sugli atomi Molecola polare = molecola idrofila Legami ionici: tra atomi con grande differenza di elettronegatività, l’atomo più elettronegativo ruba l’elettrone a quello meno elettronegativo (atomo che ruba ha carica negativa e l’atomo cede carica positiva -> cariche opposte si attraggono) In acqua si dissociano e formano ioni. I composti ionici sono polari Legami chimici deboli Legami a idrogeno: interazione tra un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo elettronegativo (come nella molecola H2O) e un atomo elettronegativo di un’altra molecola La vita si basa sulle caratteristiche fisico-chimiche del carbonio: Molecole organiche: contengono carbonio che forma le catene che sono lo scheletro delle molecole, attaccati allo scheletro ci sono i gruppi funzionali I gruppi funzionali determinano le caratteristiche delle diverse molecole organiche (intersezioni con altre molecole/tipi di reazione possibili/struttura e forma delle molecole) idrocarburi: composto organico costituito esclusivamente da carbonio e idrogeno molecole biologiche composte da monomeri molecole semplici dotate di gruppi funzionali tali da renderle in grado di combinarsi con altre molecole a formare polimeri (zuccheri, acidi grassi, amminoacidi,nucleotidi) e polimeri, macromolecole di elevato peso molecolare, formate da catene di molecole di dimensioni inferiori, chiamate monomeri(polisaccaridi, grassi/lipidi,proteine, acidi nucleici): ○ Polisaccaridi: formati da catene di zuccheri -> riserva energetica, funziona strutturale ○ grassi/lipidi: formati da catene di acidi grassi ->riserva energetica spendibili a lungo termine/riserva energetica, protezione, isolamento organi interni ○ proteine: formate da catene di amminoacidi ○ acidi nucleici: formati da catene di nucleotidi I lipidi possono essere: - saturi: formano catene lineari - insaturi (doppi legami): catena ripiegata Lezione 3: L’origine delle molecole organiche: acidi nucleici Come si sono formate le prime molecole organiche? 13 miliardi di anni fa si ipotizza sia avvenuto il Big Bang da cui si sono originati l’idrogeno e elio Il sistema solare si è formato circa 5 miliardi di anni fa mentre la Terra si è forma 4,5 miliardi di anni fa circa. Si ipotizza che durante il primo milione di anni della terra si sia formata un’atmosfera primordiale in cui non era presente l’ossigeno Archeano: era geologica durante la quale compare la vita e occupa il periodo che va da 4,5 a 2,4 miliardi di anni fa. Come facciamo a sapere che la vita compare in questo periodo? Dall’esistenza delle stromatoliti: formazioni stratificate di produzione batterica che intrappolano sedimenti. Finito il loro ciclo vitale, i batteri rimangono intrappolati al loro interno. Si possono osservare in rocce molto antiche presenti in aree geografiche molto diverse e risalenti a circa 3,5 miliardi di anni fa. In queste rocce antiche è la presenza di carbonio in concentrazioni molto alte che ha permesso di identificare le stromatoliti e di associarle alle prime forme di vita comparse sul nostro pianeta. Infatti il C compone il 18% della materia vivente, mentre è presente solo per il 2% nella crosta terrestre. Le molecole organiche che compongono la materia vivente si sono formate a partire da molecole inorganiche. Le ipotesi su come siano avvenute queste reazioni chimiche è ancora oggetto di studio e le ipotesi sono varie. La prima ipotesi proposta e che ancora oggi viene studiata è quella di Miller e Urey. L’esperimento di Miller e Urey - Utilizzarono un sistema chiuso formato da palloni e tubi di vetro e ricrearono le presunte condizioni primordiali del nostro pianeta: vapore acqueo (H2O), anidride carbonica (CO2), ammoniaca (NH3), metano (CH4), monossido di azoto (NO). - Utilizzarono scariche elettriche per simulare i fulmini che si pensa fornissero l’energia necessaria per fare reagire queste molecole - Fecero condensare i gas e i prodotti delle reazioni e furono in grado di ottenere diverse molecole organiche - Con tecniche più moderne si sono ottenuti 4 macromolecole: aminoacidi, nucleotidi, zuccheri e acidi grassi (i mattoni dei polimeri organici) Origine dell’informazione genetica e la struttura degli acidi nucleici: esperimenti che hanno portato alla scoperta dell’informazione genetica Una delle caratteristiche fondamentali degli organismi viventi è che si replicano/riproducono. Ogni replica è identica o molto simile al genitore: da un coniglio nasce un coniglio; da una dente di leone nasce un dente di leone; e da un batterio nasce un batterio. Ne consegue che nel genitore debba essere presente l’informazione per: 1. Eseguire le funzioni necessarie alla replicazione 2. Guidare lo sviluppo delle componenti che compongono l’organismo 3. Eseguire le funzioni che permettono all’organismo di sopravvivere sufficientemente a lungo per riprodursi In tutti gli organismi viventi questa informazione è contenuta nella molecola di DNA, acido desossiribonucleico Il DNA è come un libro di ricette che contiene l’informazione richiesta per utilizzare le risorse (metabolismo) necessarie per «costruire e mantenere in vita un corpo» e per creare copie più o meno uguali di sé stessa. La capacità del DNA di replicarsi è ciò lo contraddistingue e che ha reso questa molecola la molecola della vita. Quale è la caratteristica del DNA che ne permette la replicazione? Benchè il DNA contenga tutte queste informazioni, come tutte i libri di ricette deve essere tradotto nel senso che dall’informazione presente su di esso devono originarsi i prodotti necessari alle funzioni che abbiamo descritto. Il processo che permette all’informazione presente sul DNA di essere eventualmente tradotta è quello della trascrizione. E il trascritto è rappresentato da un altro acido nucleico, l’acido ribonucleico (RNA). 1.L’esperimento di Griffith e la trasformazione batterica Studia alcuni ceppi del batterio Streptococcus pneumonie: ceppo S, smooth; causa polmonite; mentre il ceppo R, rough, no. Iniezione di S causa la morte nei topi Iniezione di R, i topi sopravvivono Iniezione di S morti (mediante esposizione al calore), i topi sopravvivono Iniezione di S morti e R vivi, i topo muoiono Nei topi si ritrovano batteri del ceppo S…come ci sono arrivati? L’unica risposta plausibile è la «trasformazione», il passaggio di informazione dall’ S morto all’R vivo che ha trasformato i batteri R in batteri S -> i batteri trasformati producono sempre prole vivente 2.L’esperimento di Avery, McLood e McCarty: che cosa trasforma il ceppo R? Purificano le preparazioni di Griffith e le mischiano con quelle mortali: ○ Soluzione controllo (R+S morti)= topi muoiono ○ soluzione con estratto DNA da cellule S e proteine S= topi vivono ○ soluzione con estratto RNA da S = topi muoiono ○ soluzione con estratto proteine S = topi muoiono 3.L’esperimento di Harshey and Chase (1952) Il DNA e non le proteine è il depositario dell’informazione genetica Utilizzano batteri e virus che attaccano i batteri (batteriofagi) Sanno che i batteriofagi sono composti di due cose: un involucro (capside) fatto di proteine e un contenuto fatto di DNA Sanno che quando un batteriofago è iniettato in un batterio si replica e forma dei nuovi virus; quindi i virus contengono l’informazione per generare nuovi virus; dov’è contenuta questa informazione? Nel DNA o nelle proteine? Dimostrano che è il DNA che contiene l’informazione. Come? Che isotopi utilizzano? Qual è la relazione tra gli isotopi utilizzati da Harshey and Chase e la struttura del DNA che ha permesso agli scienziati di identificare il DNA come la molecole contenente l’informazione genetica? Harshey e Chase centrifugano la soluzione formando due parti: Sopranatante: la porzione di liquido chiarificato che si stratifica nella parte superiore di una sospensione in conseguenza della sedimentazione delle particelle sospese. pellet: scarti addensati della soluzione che stanno al fondo della provetta Decidono quindi di marcare le proteine con lo zolfo e il DNA con il fosforo, due isotopi radioattivi, e creano quindi 2 gruppi di virus Prendono quindi i batteri e li espongono alle due soluzioni, successivamente vengono frullati e trovano lo zolfo sul fondo e il fosforo in superficie, questo gli porta a intuire che è il DNA a contenere l’informazione genetica. La struttura del DNA Il DNA è costituito da subunità chiamati nucleotidi ed è composto da:  Basi azotate: pirimidine (1 base= Citosina/Timina/Uracile) e purine (2 basi= Adenina/Guanina) zucchero a 5 atomi di carbonio = deossiribosio gruppo fosfato che lega i nucleotidi: legame fosfodiesterico Il DNA è composto da due filamenti che si legano in maniera elicoidale: le basi azotate possono legarsi tra loro, le basi si appaiano perchè devono essere complementari AT/GC, riescono a creare legami a idrogeno Trascrizione del DNA Le informazioni che guidano il metabolismo, lo sviluppo e la replicazione sono contenute nella molecola di DNA. Tuttavia, chi esegue queste informazioni sono le proteine. Gene: l’informazione genetica (la sequenza di nucleotidi) che corrisponde ad una proteina. Per poter sintetizzare una proteina occorre leggere e trascrivere il gene e una volta trascritto tradurlo nel linguaggio degli aminoacidi. Il DNA contiene le informazioni per produrre le proteine ma non è in grado di produrle da solo, occorre un intermediario chiamato mRNA (messaggero= trascrive dal DNA informazioni relative alla sequenza degli amminoacidi) Il dogma centrale della biologia prevede che l’informazione genetica scorra dal DNA, all’mRNA e infine alle proteine. Caratteristiche del RNA Lo zucchero è il ribosio: ha un gruppo ossidrile nel C-2’ (invece del deossiribosio) A filamento singolo (quindi il DNA è più stabile) Uracile al posto della Timina Confronto tra DNA e RNA Proprietà del DNA: presente in tutte le cellule in grado di riprodursi per ogni specie, la sua quantità é costante è un polimero quindi contiene una grande quantità di informazioni rappresentata dalla sequenza nucleotidica Gene: sequenza di nucleotidi che corrisponde ad una proteina contiene una struttura che gli permette di duplicarsi/replicarsi è una molecola stabile che assicura costanza nell’informazione introdotto in una cellula ne modifica le caratteristiche generiche Proprietà dell’RNA: Modificando la sua forma può formare molecole diverse Catalizza reazioni Reattivo e quindi instabile, non in grado di contenere informazioni genetiche utilizza l’informazione del DNA per le sintesi delle proteine permette l’espressione dell’informazione contenuta nel DNA in alcuni virus è il depositario dell’informazione genetica Molecole diverse di RNA svolgono funzioni diverse (versatile): ○ mRNA: messaggero, trascrive dal DNA l’informazione relativa alla sequenza degli amminoacidi ○ rRNA: ribosomale, deputato alla sintesi delle proteine ○ tRNA: transfer, deputato al trasporto degli amminoacidi per le sintesi delle proteine Trascrizione del DNA Composto da tre fasi:  Inizio: promotore e fattori di trascrizione. Fattori di trascrizione sono complessi proteici che riconoscono il promotore. Il promotore è una sequenza di nucleotidi che si trova in prossimità del gene da trascrivere. I fattori di trascrizione aumentano l’affinità della RNA-polimerasi per il promotore, cioè, quando sono presenti è molto probabile che l’RNA-polimerasi si leghi al promotore. Negli eucarioti il promotore si chiama TATA-box Allungamento: l’RNA polimerasi separa la doppia elica di DNA, forma una bolla di trascrizione e trascrive il filamento stampo. Il filamento stampo su cui si sposta (e che viene trascritto) l’RNA-pol è quello in direzione 3’-5’, mentre il trascritto di mRNA si accresce sempre in direzione 5’→3’. All’interno della RNA-pol, il filamento di RNA in allungamento forma un complesso con il filamento stampo di DNA Terminazione: la RNApol si ferma e si stacca dal DNA stampo quando sintetizza una sequenza chiamata poliadenilata AAUAA (poliA) Lezione 4: Proteine e traduzione Proteine: polimeri di aminoacidi Esistono 10 tipi diversi di aminoacidi distinti in base alle proprietà della della catena laterale Gli amminoacidi si legano tramite il legame peptidico e sono composti da: Carbonio α Gruppo carbossilico (COOH/COO-) Gruppo amminico (NH2/NH3+) Gruppo R o catena laterale 4 livelli strutturali delle proteine: 1. Struttura primaria: sequenza amminoacidica 2. Struttura secondaria: determinata dai legami a idrogeno tra i gruppi carbossilici e amminici di amminoacidi adiacenti 3. Struttura terziaria: interazione tra gruppi di catene laterali, determina la struttura e la funzione della proteina 4. Struttura quaternaria: polipeptidi uniti per formare una struttura più complessa Crick ipotizzò che la sequenza di 3 nucleotidi specificasse 1 singolo amminoacido Caratteristiche del codice genetico: Codice lineare: utilizza mRNA che è complementare alla sequenza del DNA tripletta: 3 ribonucleotidi -> il codice genetico contiene 64 triplette non è un codice ambiguo: a ogni tripletta corrisponde un solo amminoacido degenerato/ridondante: può esistere più di un codone per amminoacido punteggiato: codoni di inizio AUG e fine UUU/UAG/UGA Le cornici di lettura non sono sovrapponibili codone: sequenza specifica di tre nucleotidi lungo l'mRNA che codifica l'informazione per l'inserimento di uno specifico amminoacido durante la sintesi proteica o per la fine della stessa componenti cellulari: Ribosoma: complesso formato da RNA e proteine subunità maggiore: contiene 3 siti di legame subunità minore: trova e lega mRNA RNA transfer: complesso formato da RNA da anse (un ansa presenta una sequenza di 3 nucleotidi chiamata anticodone che è complementare e antiparallelo al codone mRNA) e doppio filamento che legge i codoni e trasporta gli amminoacidi amminoacil-t-RNA Tre fasi della traduzione 1. Inizio: mRNA si lega alla subunità minore del ribosoma, si lega tRNA nel sito P contenente UAC come anticodone e come amminoacido la Metonina, completa la formazione il ribosoma con l’associazione della subunità maggiore 2. allungamento: nel sito a si lega tRNA 3. terminazione: la reazione prosegue fino al codone di stop per il quale non esiste nessun tRNA corrispondente Lezione 5: Replicazione del DNA Proprietà di cui deve essere dotato il materiale genetico: 1. Conservatività: informazione stabile 2. Trasmissibilità: informazione riprodotta e trasmessa identica da cellula a cellula (replicazione) 3. Traducibilità: espressione dell'informazione per produrre e mantenere altre molecole (programma genetico) 4. Variabilità: mutazione e ricombinazione Perchè il DNA è la molecola con queste caratteristiche? Oltre a essere stabile ha il doppio filamento e quindi ogni filamento può agire come stampo tramite l’aggiunta di nuovi nucleotidi (catena complementare) Il DNA inoltre si replica in maniera semi conservativa, ciò vuol dire che viene mantenuto in filamento stampo e sappiamo questo grazie all’esperimento di Meselson e Sthal 1957 esperimento sulla replicazione conservativa di Meselson e Sthal Ipotizzano 3 modelli: conservativo, semi-conservativo e dispersivo a. Nel modello conservativo la doppia elica genitrice rimane intatta e viene prodotta una copia completamente nuova b. Nel modello semi-conservativo i due filamenti della molecola genitrice si separano e ognuno agisce da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare c. Nel modello dispersivo ogni filamento di entrambe le molecole figlie contiene una miscela di parti vecchie e parti di nuova sintesi Sanno che le molecole di DNA hanno l’azoto nelle basi azotate e allora vengono marcati per poter seguire come si muovono nello spazio e nel tempo, sapendo anche che le molecole trasmettono la tossicità alle molecole figlie. Decidono quindi di dare ai batteri in coltura dell’azoto pesante e perciò dopo un periodo di tempo tutti i batteri che sono cresciuti in quell’ambiente avranno nel loro DNA l’azoto pesante. Dopo ciò prendo i batteri e li trasferisco in un ambiente con Azoto 14 e dopo la prima replicazione noto che le cellule avranno un po’ di azoto 15 (pesante) e un po’ di azoto 14. Centrifugando i batteri posso vedere ad ogni replicazione che isotopi sono presenti Come avviene la replicazione? Inizio e svolgimento: ○ DNA polimerasi si lega ad un'origine di replicazione, la DNA elicasi svolge l’elica e si forma la forca di replicazione ○ Il DNA viene aperto (essendo una molecola stabile viene destabilizzata) ○ Le proteine stabilizzatrici (SSB) si legano al singolo filamento ○ Topoisomerasi riduce la tensione ○ La DNA polimerasi duplica la sequenza dei filamenti stampo in direzione 5’-3’ (aggiunge nucleotidi all’estremità 3’-OH) Sintesi e allungamento:  ○ Sul filamento 3’-5’ la prima si crea un primer di RNA, una sequenza di nucleotidi generati dall’enzima della primasi, (innesco) in direzione 5’-3’ ○ La DNA polimerasi inizia a replicare il filamento iniziando a legare il primo nucleotide al 3’ del primer, quindi procede in direzione 5’-3’ (filamento leading/guida) creando però i frammenti di Okazaki e formando il filamento lagging (in ritardo) Fine: ○ Poi i primers vengono degradati e l’RNA sostituito con DNA polimerasi I e l’enzima ligasi chiude i filamenti neoformati Se ho un DNA lineare (come gli eucarioti) ad ogni replicazione questo si accorcia poichè l’ultima porzione di filamento lagging non verrebbe duplicato nel DNA rischiando di perdere geni importanti. Per evitare questo problema viene introdotto l’enzima telomerasi che aggiunge delle sequenze ripetute di DNA chiamate telomeri alle estremità dei cromosomi. Telomerasi: - Composto da proteine ed RNA - RNA funziona come template/stampo Telomeri: - i telomeri non sono importanti perché non sono codificati - In base alla lunghezza dei telomeri posso capire la vecchiaia biologica - si spengono presto ma rimangono attivi nelle cellule staminali e in quelle tumorali - quando i telomeri sono abbastanza corti la cellula smette di dividersi Sommario della Replicazione ! La replicazione del DNA è semiconservativa: i filamenti originari si separano, e filamenti nuovi complementari ad ognuno vengono sintetizzati. ! DNA polimerasi III sintetizza il DNA: aggiunge nucleotidi 5'→3' (legge lo stampo 3'→5'), e richiede RNA primer per iniziare. ! A causa della struttura antiparallela, la sintesi di DNA procede differentemente su ogni stampo originario. - Leading strand - filamento veloce: il filamento nuovo è sintetizzato continuamente 5'→3' verso il DNA non separato. - Lagging strand - filamento discontinuo: DNA polimerasi III depone ~100-200 nucleotidi (frammenti di Okazaki), e poi va indietro e ripete il processo man mano che il DNA si apre; replicazione discontinua. Lezione 6: membrana cellulare Le reazioni chimiche sono l’arrangiamento di atomi all’interno delle molecole Una reazione chimica avviene con una certa probabilità che dipende da: Vicinanza dei reagenti energia dei reagenti Problema 1: fare in modo che le molecole necessarie per la polimerizzazione e altre reazioni chimiche si incontrino all’interno dell’ambiente acquoso - separo ambiente interno ed esterno 1a. Tra le varie biomolecole quale può agire da separatore in un ambiente acquoso? - i fosfolipidi poiché hanno la testa polare e la coda apolare (definita molecola antipatica perchè è sia polare che apolare) - nascita della membrana cellulare Struttura e funzione della membrana cellulare  Tutte le cellule hanno una membrana plasmatica: racchiude la cellula La membrana plasmatica è formata da un doppio strato di fosfolipidi = teste idrofile e code idrofobiche La membrana plasmatica è fluida e le membrane formate da acidi grassi insaturi sono più fluide Colesterolo (intercalare tra fosfolipidi): relazione temperatura e fluidità = diminuisce la fluidità all’aumentare della temperatura e viceversa 1b. Il separatore deve essere totalmente impermeabile? O deve far avvenire un minimo di scambio? - può essere semipermeabile per far entrare le risorse necessarie per il metabolismo e per l’uscita dei materiali di scarto Alla membrana sono associate proteine di membrana che permettono il movimento di sostanze attraverso la membrana Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili La permeabilità della membrana dipende: ○ dalle caratteristiche biochimiche dei fosfolipidi e del loro posizionamento nella membrana ○ dal tipo di proteine che sono associate alla membrana ○ Alcune molecole possono diffondere liberamente attraverso il doppio strato fosfolipidico: molecole idrofobe (apolari) di piccole dimensioni, molecole polari, senza cariche e di piccole dimensioni Problema 2: ioni e molecole polari di grandi dimensioni non si diffondono liberamente (la maggior parte delle molecole importanti per i processi metabolici sono polari (amminoacidi, glucosio etc.) o ioni ), come faccio a farli entrare data la loro importanza? - utilizzo le due proteine di membrana: Proteine carrier (trasportatori): ○ Legano il substrato su una delle due fasce della membrana ○ il legame determina un cambiamento delle proteine ○ il substrato viene rilasciato sul lato opposto Proteine canale: ○ Formano pori all’interno dei quali si trovano i gruppi R I movimenti tra l’interno e l’esterno della cellula chi determina la direzione di trasporto delle molecole? - due tipi di trasporto: Trasporto passivo (diffusione): ○ Non richiede apporto energetico ○ di due tipi: diffusione semplice: le molecole seguono il gradiente di concentrazione (osmosi) = movimento casuale di molecole da una regione a maggiore concentrazione verso una a minore concentrazione diffusione facilitata: le molecole seguono il gradiente di concentrazione e avviene tramite proteine di membrana trasporto attivo: ○ Molecole trasportate contro gradiente di concentrazione ○ Richiede energia e proteine di trasporto: Primario: energia fornita da idrolisi di ATP (pompa sodio/potassio)  secondario: movimento di ioni e molecole utilizza energia in maniera indiretta, un’altra molecola utilizza questo gradiente per andare contro gradiente Tipi di soluzione: Soluzione ipertonica: soluzione contenente una concentrazione maggiore di soluto (maggior Posm), attira acqua Soluzione ipotonica : soluzione contenente una concentrazione minore di soluto (minore Posm), perde acqua Soluzione isotonica: soluzione contenente la stessa concentrazione di soluto della cellula, non c'è un flusso netto di H2O Metabolismo cellulare grado di ordine: principio che caratterizza tutti gli essere viventi La produzione ed il mantenimento di ordine strutturale richiede lavoro quindi energia che può solo essere trasferita e trasformata (es. centrale idroelettrica) Energia chimica: Contenuta nelle cellule organiche energia potenziale contenuta nei legami covalenti che vengono spezzati (legami covalenti semplici sono più instabili e richiedono meno energia di scissione) per compiere lavoro serve a creare nuovi legami e nuove molecole alcuni legami sono molto forti atomi piu’ vicini sono piu’ stabili e richiedono maggior energia per essere rotti, mentre altri legami sono meno forti piu’ instabili e’ piu’ facile che si rompano L’instabilita’ di un Sistema rappresenta la sua energia potenziale= Maggiore è l’instabilita’ maggiore l’E potenziale. Energia: capacità di causare un cambiamento, in certe forme permette l’esecuzione di lavoro (la capacita’ di “muoversi contro una forza opposta”) 1. Prima legge della termodinamica: l’energia può essere trasferita o trasformata ma non può esserecreata nè distrutta 2. Seconda legge della termodinamica: ad ogni trasferimento (trasformazione) energetico (quando sicompie lavoro) una parte dell’energia diventa inutilizzabile (calore) l’energia non puo’ essere riutilizzata Un processo che si verifica spontaneamente deve aumentare l’entropia dell’universo Il mantenimento dell’ordine biologico non e’ spontaneo, richiede un apporto energetico Sistemi biologici ordinati e complessi sono instabili tendono a raggiungere forme piu’ stabili(semplici) Senza apporto energetico, strutture complesse e ordinate tendono verso l’entropia una struttura complessa richiede energia per essere sintetizzata e mantenuta come tale Strutture complesse hanno un elevato contenuto energetico (E. Potenziale) che tendono a rilasciare spontaneamente: tendono a raggiungere una conformazione piu’ semplice Le reazioni chimiche non sono altro che riarrangiamenti di atomi all'interno delle molecole I legami dei reagenti vengono rotti per formare legami dei prodotti:  - se i reagenti hanno un elevato numero di legami covalenti possono essere utilizzati per nuove molecole - se i legami delle molecole sono meno stabili si realizza una reazione a favore e quindi spontanea Le molecole organiche (acidi grassi/glucosio) contengono molta energia potenziale poichè c’è un elevato tasso di carbonio = reazioni ossidoriduzione, energia prodotta = ATP Le reazioni biochimiche sono reversibili quindi come faccio a sapere in che direzione avverrà la reazione? dipende dall’instabilità dei reagenti rispetto ai prodotti: ○ Da sinistra a destra= esoergoniche: si muovono da una condizione di instabilità a una di stabilità (spontanee quindi producono energia) ○ Da destra a sinistra = endoergoniche: si muovono da una condizione di stabilità a una di instabilità (richiedono energia) Direzione basata sul concetto dell’energia libera di Gibbs: quantità di energia disponibile per svolgere un lavoro Formazione ATP ATP: - instabile perchè possiede 3 gruppi fosfato - quando è in presenza di acqua è in grado di scindersi in un gruppo fosfato, adenosina di fosforo (ADP) e calore Il DNA, la membrana plasmatica e le proteine sono componenti ordinati e accomunati da monomeri: - l’ordine richiede lavoro ed energia derivate dall’ATP - reazioni endoergoniche associate a quelle esoergoniche Il metabolismo (totalità dei processi chimici di un organismo) è composto da due vie: Cataboliche: compongono reazioni esoergoniche Anaboliche: richiedono energia per produrre molecole complesse siccome le reazioni esoergoniche richiedono molto tempo prima di essere svolte dobbiamo velocizzare le tempistiche superando l’energia di attivazione: - maggiore è l’energia di attivazione maggiore è il tempo necessario per la reazione - utilizziamo gli enzimi per abbassare l’energia di attivazione enzimi: Possiedono un sito attivo in cui sono contenuti gli amminoacidi che formano legami substrati complesso enzima-substrato: il substrato forma legami covalenti transitivi sull’enzima le loro funzioni sono regolate e quindi la loro attività può essere aumentata o diminuita Lezione 7:Evoluzione delle cellule e teoria cellulare Tutte le cellule hanno la stessa struttura di base composta da 3 elementi: 1. Membrana plasmatica per isolamento e comunicazione con l’esterno 2. regione nucleare dove è concentrato il DNA e dirige l’attività della cellula 3. citoplasma che occupa lo spazio interno alla cellula La teoria cellulare si basa su 3 principi: La cellula è l'unità organizzativa fondamentale della vita (Schleiden, Schwann) Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule (Virchow) Tutte le cellule si originano da cellule pre-esistenti (Weismann) L’evoluzione biologica è alla base dell’origine della diversità I primi organismi erano unicellulari procarioti e formano due dei tre domini della vita: batteri e archei Cellule procariotiche: Sono più piccole: in media 10 volte più piccole Non hanno nucleo: DNA situato nell’area nucleare (nucleoide) Hanno un minor numero di geni, circa 5 mila Mancano di organuli citoplasmatici (compartimenti interni) Hanno una struttura semplice, ma non il loro comportamento Le attività di respirazione aerobia avvengono a livello della membrana plasmatica Utilizzano i flagelli per il movimento Usano le fimbrie per aderire a substrati Contengono ribosomi (Necessari per la sintesi proteica, Più piccoli e di composizione diversa agli euk, Tetraciclina & eritromicina) diversi da quelli eucarioti La maggior parte ha una parete cellulare molecola di DNA circolare I primi procarioti erano definiti eterotrofi chimici: organismi che utilizzano molecole organiche complesse per produrre altre molecole Circa 1.5 miliardi di anni fa fanno comparsa gli organismi eucariote unicellulari, molto più complessi per dimensioni e struttura. Cellule eucariotiche: Hanno nucleo molecola di DNA lineare quantità di DNA e geni è maggiore abbiamo una serie di comparti (organuli) che svolgono funzioni per lo sviluppo, la sopravvivenza e la riproduzione della cellula può cambiare struttura nel corso della sua esistenza e anche in modo veloce in base alla necessità grazie agli esoscheletri Composta da: Nucleo: contiene DNA, è circondato dalle membrane nucleari (doppia membrana ognuna con doppio strato fosfolipidico) reticolo endoplasmatico: ○ Rugoso: associato ai ribosomi e sintetizza le proteine ○ liscio: sintetizza lipidi, steroidi e fosfolipidi apparato di Golgi raccoglie, modifica e distribuisce molecole sintetizzate della molecola presenza del citoscheletro: complessa struttura composta da diversi tipi di proteine. Funzione strutturale, movimento della cellula, trasporto interno alla cellula (neuroni), supporto strutturale durante la divisione cellulare (centrioli) mitocondri: organuli che non appartengono al sistema di endomembrana Organuli complessi: dimensioni simili a un batterio, dotati di due strati membranari membrana interna: formata da creste e circondata da matrice Teoria endosimbiontica (Margulis) Le cellule eucariote si sono evolute per una simbiosi tra due eucarioti in grado di effettuare respirazione aerobica La cellula che ha inglobato il procarioti aerobico sviluppa questa capacità andando ad evolvere quelle successive Il mitocondrio è stato inglobato da un altro procariote e ciò che ne è derivato è stata una cellula eucariote Il fatto che abbia un suo DNA è indice del fatto che era originariamente un batterio Lezione 8: Cromosomi, mitosi e meiosi Cariotipo: corredo cromosomico di un individuo o di una specie che permette di individuare anormalità cromosomica (se un individuo ha un cromosoma in più o in meno o cromosomi che presentano caratteristiche anormali) Un cariotipo umano è composto da 46 cromosomi: 23 paterni e 23 materni (22 coppie autosomi e 2 cromosomi sessuali) Cromosoma: struttura nella quale è organizzato il DNA, il materiale genetico di un individuo batterio: ha un solo cromosoma con molecola di DNA circolare cellula con 2 cromosomi: corredo cromosomico diploide o 2n cellula con una coppia e serie di cromosomi: aploidi o n Gene: unica ereditarietà e quindi corrisponde alla sequenza di DNA che corrisponde a un proteina che si trova in una posizione definita e fissa di un cromosoma (locus/loci) Locus: posizione definitiva e fissa di un gene quando si trova in una specifica posizione sul cromosoma Dal momento che ho due cromosomi e sue due cromosomi omologhi ho quel gene che può variare un po’ la sequenza, posso avere alleli diversi Allele: forma alternativa di un gene, forma con cui quel gene si esprime Su ogni cromosoma abbiamo una sequenza di nucleotidi che quando vengono espressi (trascritti e sintetizzati dalla proteina) corrispondono a un gene Quando abbiamo lo stesso gene ma questo si presenta in forme diverse parliamo di alleli Cromosomi omologhi: cromosomi che hanno la stessa forma, lunghezza, posizione della strozzatura (stessi loci genici) Per sapere quanti cromosomi ci sono basta contare quanti centromeri ci sono Centromeri: regione del cromosoma in cui i cromatidi sono a stretto contatto Cromatidi: due subunità geneticamente identiche di cui sono costituiti i cromosomi durante il processo di divisione cellulare Cromatidi fratelli: coppia di cromatidi geneticamente identici tra loro L'impacchettamento del DNA è un processo essenziale che consente di comprimere il materiale genetico in strutture organizzate e compatte, mantenendolo accessibile per la trascrizione, la replicazione e la riparazione: 1. DNA nudo (doppia elica): Il livello più semplice, il DNA si trova sotto forma di doppia elica, con due filamenti complementari avvolti in una struttura a spirale. 2. Nucleosomi: Il DNA si avvolge attorno a complessi proteici chiamati istoni, formando strutture note come nucleosomi. 3. Fibre di cromatina "a collana di perle": I nucleosomi sono collegati tra loro da brevi tratti di DNA linker, creando una struttura simile a una collana di perle. 4. Fibre di cromatina 30 nm: I nucleosomi si ripiegano ulteriormente in una fibra compatta con uno spessore di circa 30 nm, grazie all'interazione tra gli istoni e altre proteine. 5. Loop cromatinici: La fibra di 30 nm forma dei loop (anelli) attaccati a una struttura proteica centrale detta scaffold. 6. Cromatina condensata: I loop si comprimono ulteriormente formando fibre ancora più dense, tipiche della cromatina. 7. Cromosomi mitotici: Durante la divisione cellulare, la cromatina raggiunge il livello massimo di compattazione, formando i cromosomi visibili al microscopio. Strutture che permettono l’impacchettamento:  Istoni: Proteine basiche attorno a cui il DNA si avvolge per formare i nucleosomi. Nucleosomi: unità strutturale fondamentale della cromatina (si forma al livello della fibra di 30 nm e può esistere in due stati principali: Eucromatina forma meno compatta e attiva trascrizionalmente ed Eterocromatina forma più compatta e trascrizionalmente inattiva. La cromatina rappresenta un livello intermedio di impacchettamento, che permette una certa accessibilità al DNA pur mantenendolo relativamente compatto.). Proteine scaffold: Forniscono supporto strutturale ai loop cromatinici. Proteine non istoniche: Aiutano nell'organizzazione della cromatina a livelli più alti di compattamento. Ciclo cellulare e divisione cellulare Le funzioni cellulari, come la divisione, sono regolate sono i geni che decidono come si sviluppano le cellule e come si devono specializzare Il ciclo vitale della cellula ha una fase di: - quiescenza - crescita - divisione Il tempo e il ciclo cellulare variano in base al tipo di cellule (es. pelle ogni 2 settimane, fegato 1 volta l’anno, cervello stop dopo lo sviluppo) Esistono dei segnali che dicono alla cellula se, quando e quanto dividersi Fasi della divisione cellulare: Interfase: ○ Fase G1: accrescimento cellulare (metabolismo accelerato) e sintetizzazione delle proteine necessarie per le sue funzioni e per la replicazione del DNA, se la cellula non è pronta entra in quiescenza G0 ○ Fase S: fase di sintesi del DNA, momento in cu viene replicato ○ Fase G2: fase di sintesi delle proteine necessarie per la divisione cellulare Mitosi/Fase M: processo di divisione cellulare che a partire dalla cellula madre genera due cellule figlie, cloni della madre, con lo stesso corredo cromosomico della madre = divisione del nucleo e del citoplasma ○ Profase: ci sono 23 coppie di cromosomi e dobbiamo produrre 2 cellule con lo stesso numero di cellule della cellula madre, si forma il fuso mitotico ○ prometafase: disintegrazione del nucleo, della membrana cellulare e i cromosomi si legano al fuso mitotico ○ metafase: controllo se la mitosi può andare avanti, accade solo se i cromosomi sono tutti allineati al centro della cellula (piastra metafasica) in caso contrario la mitosi non può andare avanti ○ anafase: separazione dei cromatidi fratelli verso i poli opposti ○ telofase: ricostruzione dei nuclei, due corredi cromosomici e separazione Le conseguenze di una possibile continua divisione cellulare potrebbero essere: infiammazione cronica, invecchiamento precoce dei tessuti, accumulo di mutazioni, esaurimento delle risorse cellulari e tumori Gameti: cellule aploidi per la nostra specie, 1 per tipo di cromosoma Cellule somatiche adulte: diploidi, coppia omologa per ogni cromosoma Meiosi: alla base della diversità fenotipica della nostra specie perchè ci sono due eventi alla base della variabilità genetica della specie che si riproducono sessualmente ha le stesse fasi della mitosi dopo la prima divisione riduzionale:  Profase I: condensazione dei cromosomi omologhi e formazione delle sinapsi, crossing over tra cromatidi Metafase I: porto i cromosomi a livello di piastra equatoriale in cui vengono assortiti in modo casuale cosi da creare diversità Anafase I: separo i cromosomi omologhi, mentre i cromatidi fratelli rimangono legati Telofase I: creo due cellule separate e proseguono Ho creato due cellule apolidi completamente diverse dove i cromosomi sono stati separati e i cromatidi fratelli non sono più identici Nella meiosi II si ottengono 4 cellule aploidi, geneticamente diverse perchè contengono un mix di caratteristiche materne e paterne a causa del crossing over e l’assortimento indipendente che avviene durante la metafase Mitosi: processo conservativo Meiosi: genera diversità Variazione del numero dei cromosomi: la non-disgiunzione e i suoi effetti Non-disgiunzione: errore che si verifica durante la divisione cellulare, in particolare durante la meiosi o la mitosi, e consiste nel mancato corretto separarsi di cromosomi o cromatidi. Questo porta a gameti o cellule figlie con un numero anomalo di cromosomi (aneuploidia) Poliploidia: aumento del numero normale di assetti cromosomici (sempre letale nell’uomo) La monosomia si verifica quando una cellula ha un solo cromosoma invece della normale coppia (2n-1). Questo accade a causa della non-disgiunzione durante la meiosi, il processo che forma i gameti. La non-disgiunzione può avvenire: Nella meiosi I: I cromosomi omologhi non si separano correttamente, producendo gameti con un cromosoma in più (n+1) o uno in meno (n-1). Nella meiosi II: I cromatidi fratelli non si separano, causando gameti con un cromosoma duplicato o mancante. Quando un gamete con un cromosoma mancante (n-1) si unisce a un gamete normale (n), lo zigote risultante sarà monosomico per quel cromosoma. (es. sindrome di Turner) sindrome di Turner e sindrome di Klinefelter: Le due sindromi derivano da anomalie nei cromosomi sessuali, ma differiscono per il tipo di cariotipo e le manifestazioni cliniche. La sindrome di Turner è una monosomia che colpisce le femmine, mentre la sindrome di Klinefelter è una trisomia che colpisce i maschi. La trisomia 21/sindrome di Down, si verifica quando un individuo ha tre copie del cromosoma 21 anziché due (2n+1). Questo accade anch'esso per non-disgiunzione, che può avvenire durante: La meiosi I: I cromosomi omologhi del cromosoma 21 non si separano. La meiosi II: I cromatidi fratelli del cromosoma 21 non si separano. La mitosi post-zigotica: Una non-disgiunzione in una delle prime divisioni dello zigote può causare un mosaico di cellule normali e trisomiche. Spermatogenesi e Oogenesi spermatozoi: - acrosoma: derivato del Golgi, contiene enzimi che permettono allo spermatozoo di penetrare nell’ovulo - nucleo: contiene DNA fortemente spiralizzato - mitocondri: per fornire energia per il movimento - flagello: struttura costituita da microtubuli che consente il movimento Spermatogenesi: - tutte e 4 le cellule aploidi prodotte dalla meiosi diventano spermatozoi maturi - processo che inizia alla pubertà e dura per tutta la vita - sequenza ininterrotta di eventi Fasi della spermatogenesi: 1. Fase proliferativa (moltiplicazione): ○ Le cellule germinali primordiali (spermatogoni) si dividono per mitosi, producendo altre cellule germinali. ○ Alcuni spermatogoni rimangono cellule staminali per mantenere il pool germinale, mentre altri (spermatogoni di tipo B) si differenziano per entrare nella spermatogenesi. 2. Fase meiotica: ○ Gli spermatogoni di tipo B si differenziano in spermatociti primari. ○ Gli spermatociti primari subiscono la prima divisione meiotica, producendo due spermatociti secondari (aploidi, con metà del numero di cromosomi). ○ I spermatociti secondari subiscono la seconda divisione meiotica, formando quattro spermatidi aploidi. 3. Fase di differenziamento (spermiogenesi): ○ Gli spermatidi maturano in spermatozoi attraverso modifiche strutturali: Formazione della coda per la motilità. Compattazione del nucleo. Eliminazione del citoplasma in eccesso. Formazione dell’acrosoma, essenziale per la penetrazione dell’ovocita. Ovuli: prodotto delle ovaie, rilasciati durante l’ovulazione, entrano negli oleodotti e spinti verso l’utero, se avviene la fecondazione lo zigote arriva all’utero e avviene l’impianto dell’embrione Oogenesi: - solo una cellula aploide prodotta dalla meiosi diventa uovo, le altre 3 degenerano - inizia prima della nascita, abbiamo un numero di uova che si sviluppano limitato e già definito - processo discontinuo Fasi dell’oogenesi: 1. Fase proliferativa (moltiplicazione): ○ Durante la vita embrionale, le cellule germinali primordiali si dividono per mitosi formando oogoni. ○ Gli oogoni entrano nella prima divisione meiotica, ma si arrestano in profase I come ovociti primari. Questo stadio persiste fino alla pubertà. 2. Fase di crescita: ○ A partire dalla pubertà, durante ogni ciclo mestruale, alcuni ovociti primari completano la prima divisione meiotica, producendo: ○ Un ovocita secondario (che riceve la maggior parte del citoplasma). ○ Un globulo polare (che degenera). ○ L'ovocita secondario inizia la seconda divisione meiotica, ma si arresta in metafase II. 3. Fase di maturazione: ○ La seconda divisione meiotica si completa solo se l'ovocita viene fecondato da uno spermatozoo.  ○ La fecondazione porta alla formazione di una cellula uovo definitiva e di un secondo globulo polare (che degenera). Lezione 9: mutazioni e variazione genetica Genotipo: l'insieme delle informazioni genetiche di un individuo, cioè la sua costituzione genetica, che si trova nel DNA. Rappresenta la combinazione specifica di alleli (varianti di un gene) che un individuo possiede. Il genotipo determina le caratteristiche ereditarie, ma non tutte le caratteristiche fenotipiche sono espresse direttamente dal genotipo. fenotipo: l'insieme delle caratteristiche fisiche, comportamentali e biochimiche di un organismo che sono il risultato dell'interazione tra il genotipo e l'ambiente, ciò che possiamo osservare in un’organismo Polimorfismo: presenza di due o più forme (alleli) diverse per un dato gene all'interno di una popolazione. Si verifica quando una varietà di alleli per lo stesso gene coesiste in una popolazione, aumentando la variabilità genetica. Il polimorfismo può manifestarsi come variazioni in caratteristiche fisiche o in caratteristiche molecolari (come il tipo di sangue). Omozigosi: individuo che possiede due alleli identici per uno stesso gene, cioè entrambi gli alleli sono uguali. Eterozigosi: individuo che possiede due alleli diversi per uno stesso gene, uno dominante e uno recessivo. Mutazioni: - cambiamenti casuali della sequenza nucleotidica del DNA - spontanee - ereditabili - deleterie, neutre e vantaggiose (rari casi) - la frequenza dipende dalla dimensione del gene, della sequenza nucleotidica (hotspot) e da influenze ambientali - Piccola scala: sostituzione, delezione o inserimento di una base azotata - mutazioni silenti o sinonime: non hanno effetto sul fenotipo perché la sequenza amminoacidica della proteina non cambia e non sono deleterie - mutazioni missenso o non-sinonime (di senso): cambiano il significato della sequenza amminoacidica (es. anemia falciforme) e gli effetti sul fenotipo possono essere variabili - mutazioni non senso: codone originale viene sostituito da un codone di stop, il polipeptide risulta troppo breve e per questo motivo non è funzionante e viene degradato - mutazioni frameshift: delezione o inserzione di uno o più nucleotidi sposta la cornice di lettura, causa modifiche significative alla sequenza amminoacidica della proteina - Grande scala: cambiamento macroscopico - Porzioni di cromosomi oppure cromosomi soprannumerari (aneuploidia e poliploidia) - legati a problemi nel crossing-over - Cromosomiche: possono eliminare o duplicare regioni di un cromosoma, possono alterare l’ordine lineare dei geni su un cromosoma, se coinvolgono numerosi geni sono solitamente dannosi e piccole duplicazioni possono dare origine a famiglie di geni