Funzionamento dei Sistemi Biologici - Appunti di viaggio (PDF)

FRANCESCO BERTAGNA Funzionamento dei Sistemi Biologici - Appunti di viaggio - Agosto - Ottobre 2021 Sommario LA BIOLOGIA (lo studio della vita)..................................................................................................................... 3 TEORIE EVOLUZION...

FRANCESCO BERTAGNA Funzionamento dei Sistemi Biologici - Appunti di viaggio - Agosto - Ottobre 2021 Sommario LA BIOLOGIA (lo studio della vita)..................................................................................................................... 3 TEORIE EVOLUZIONISTICHE E I MICROSCOPI.................................................................................................... 5 LA MATERIA VIVENTE (Carboidrati, Lipidi)........................................................................................................ 8 LA MATERIA VIVENTE (Aminoacidi e Proteine, Acidi Nucleici - DNA e RNA).................................................. 11 ORGANISMI VIVENTI........................................................................................................................................ 22 BIOTECNOLOGIE.............................................................................................................................................. 29 CITOLOGIA (Cellula procariote ed eucariote, Virus, Batteriofagi, Viroidi, Prioni)........................................... 31 LA MEMBRANA PLASMATICA (Struttura e Funzioni)....................................................................................... 38 IL CITOSCHELETRO........................................................................................................................................... 48 MATRICE EXTRACELLULARE E GIUNZIONI CELLULARI..................................................................................... 56 LA STRUTTURA E LA FUNZIONE DELLE ENDOMEMBRANE.............................................................................. 59 MITOCONDRI E CLOROPLASTI......................................................................................................................... 65 NUCLEO, CROMATINA E CROMOSOMI............................................................................................................ 71 CICLO CELLULARE............................................................................................................................................ 75 SINTESI PROTEICA E CODICE GENETICO.......................................................................................................... 80 LA GENETICA MENDELIANA............................................................................................................................. 91 CARIOTIPO....................................................................................................................................................... 95 ISTOLOGIA..................................................................................................................................................... 102 TESSUTO EPITELIALE...................................................................................................................................... 104 I TESSUTI CONNETTIVI (Generalità)............................................................................................................... 113 TESSUTI CONNETTIVI PROPRIAMENTE DETTI................................................................................................ 119 TESSUTO CARTILAGINEO............................................................................................................................... 122 TESSUTO OSSEO............................................................................................................................................. 125 TESSUTI CONNETTIVI LIQUIDI........................................................................................................................ 132 TESSUTO NERVOSO....................................................................................................................................... 141 POTENZIALE D’AZIONE.................................................................................................................................. 147 TESSUTO MUSCOLARE................................................................................................................................... 151 LA CONTRAZIONE MUSCOLARE..................................................................................................................... 159 2 LA BIOLOGIA (lo studio della vita) La parola BIOLOGIA deriva dal greco e significa STUDIO DELLA VITA. Perché ci sia vita ci devono essere determinate caratteristiche che sono: - EVOLUZIONE (Le popolazioni di organismi si sono evolute nel tempo già dalle prime forme primordiali). - TRASMISSIONE DELL’INFORMAZIONE (L’evoluzione dipende dalla trasmissione dell’informazione genetica da una generazione all’altra) - TRASFERIMENTO DELL’ENERGIA (Tutti i processi vitali richiedono un continuo ingresso di energia) LE CARATTERISTICHE DELLA VITA I viventi hanno diversi LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE. I due principali livelli di organizzazione sono: - LIVELLO MOLECOLARE - Virus, Viroidi, Prioni: sono organismi che da soli non sono in grado di replicarsi e quindi per poterlo fare devono infettare delle cellule. - LIVELLO CELLULARE - Procarioti (cellule molto semplici) - Archea, Batteri - Eucarioti (cellule complesse) - Protozoi, Lieviti, Cellule Animali e Vegetali Tutti gli organismi viventi possono essere classificati in uno dei TRE DOMINI all’interno dei quali sono presenti SEI REGNI: - BATTERI (batteri) - ARCHEI (archeobatteri) - EUCARIOTI (Protozoi unicellulari, piante, animali, funghi) 3 La CLASSIFICAZIONE di tutti gli individui e organismi si può dividere su diversi livelli: Si parte dal DOMINIO (esempio Eucarioti); per poi passare al REGNO (esempio animali); poi c’è il PHYLUM (esempio tutti gli animali con la colonna vertebrale) la CLASSE (esempio Mammiferi); l’ORDINE (esempio i Primati); la FAMIGLIA (esempio Ominodei); il GENERE (esempio Pan); la SPECIE (esempio Scimpanzè): individui che sono interfertili tra loro ma non con altre specie. La SPECIE è infatti un INSIEME DI POPOLAZIONI INTERFERTILI TRA LORO E ISOLATE RIPRODUTTIVAMENTE DALLE ALTRE. Ogni specie è a se stante anche riproduttivamente. Possono convivere nello stesso ecosistema ma non possono incrociarsi tra di loro. 4 TEORIE EVOLUZIONISTICHE E I MICROSCOPI Teoria evoluzionistica di LINNEO (fine del 1700, è stato anche lo scienziato che ha dato la classificazione descritta qui sopra e che viene ancora utilizzata): LE SPECIE ERANO FISSE: non era possibile che ci fossero dei cambiamenti. Tutti gli organismi presenti sulla terra erano quelli, erano sempre stati quelli e non potevano cambiare. All’inizio però del XIX Secolo questa teoria fu messa in discussione in quanto furono scoperti dei fossili di organismi che non erano più presenti sulla terra e mancavano invece dei fossili delle specie esistenti in quel momento. Teoria evoluzionistica LAMARCK (nel 1809, presentò la prima teoria evoluzionistica con cui ipotizzò la modificabilità delle specie sotto l’influenza delle condizioni ambientali): IL BISOGNO DI UNA DETERMINATA FUNZIONE CREA L’ORGANO: l'uso o il non uso di determinati organi porterebbe con il tempo ad un loro potenziamento o ad una loro atrofia. Questa teoria però aveva un errore di fondo: i caratteri acquisiti non potevano essere ereditati. Perché è vero che una specie può modificare un organo per adattarsi all’ambiente, ma di fatto non lo può trasmettere ai propri figli, alla prole. Teoria evoluzionistica DARWIN (nel 1859, scrisse un libro intitolato “SULL'ORIGINE DELLE SPECIE PER MEZZO DELLA SELEZIONE NATURALE O LA PRESERVAZIONE DELLE RAZZE FAVORITE NELLA LOTTA PER LA VITA”): La sua teoria si basava su tre concetti fondamentali: - VARIABILITA’: all’interno di una popolazione, di una specie sono presenti individui diversi fra loro, quindi molto variabili. Ci saranno quindi individui che, in determinate condizioni ambientali, si adatteranno meglio rispetto ad altri. - SELEZIONE NATURALE: l’ambiente cambia e quindi sopravviveranno solo gli individui più adatti. - EREDITARIETA’: questi individui hanno determinate caratteristiche a livello genetico e che quindi possono trasmettere queste caratteristiche favorite alla propria prole e quindi abbiamo l’ereditarietà dei caratteri. Darwin fece queste deduzioni a seguito di un lungo viaggio che lo portò anche alle Isole Galapagos (particolari perché esistono animali che non esistono da altre parti) ed aveva ipotizzato anche lui l’albero della vita dove tutti gli organismi presenti derivavano da un progenitore comune e che da questo si erano differenziate diverse specie, di cui alcune si erano estinte ed altre si erano sviluppate nelle diverse specie ancora presenti. 5 TEORIA CELLULARE (nel 1665 Hooke e nel 1673 Leeuwenhoek costruirono i primi microscopi e per la prima volta si poterono osservare le cellule): LE CELLULE SONO LE UNITA’ FONDAMENTALI DELLA VITA: tutti gli organismi sono composti da cellule e tutte le cellule provengono da cellule preesistenti. Con la creazione dei primi microscopi, si è iniziato a parlare di ORDINI DI GRANDEZZA dove il LIMITE DI RISOLUZIONE è la distanza minima al di sotto della quale non siamo più in grado di vedere due punti distinti Dall’immagine possiamo vedere come l’OCCHIO UMANO arriva a vedere poco sotto il millimetro. Dopo quel punto possiamo osservare organismi più piccoli (quindi le cellule) solo con i microscopi: MICROSCOPIO OTTICO (strumento in cui un fascio di luce colpisce un campione che viene preparato in un determinato modo e posto su un vetrino trasparente e poi l’immagine viene proiettata verso un oculare): ci permette di vedere strutture cellulare fino a poco di sotto al micron. MICROSCOPIO ELETTRONICO (strumento in cui un fascio di elettroni che attraverso vari condensatori riproducono l’immagine su uno schermo). Arriva fino al nanometro (o poco sotto) e possono essere di due tipi: 6 - Microscopio elettronico a trasmissione (riusciamo a vedere tutte le strutture subcellulari) - Microscopio elettronico a scansione (riusciamo a vedere l’immagine in tre dimensioni) Al di sotto del microscopio elettronico abbiamo la DIFRAZIONE AI RAGGI X che ci permette di vedere la struttura atomica, molecolare. Microscopio Ottico Microscopio elettronico Punta di uno spillo vista con ingrandimenti diversi. Ingrandendo sempre di più (fino a 14.000 volte) riusciamo a vedere i batteri presenti. 7 LA MATERIA VIVENTE (Carboidrati, Lipidi) La MATERIA VIVENTE è caratterizzata da diverse proprietà: - il METABOLISMO: (tutte quelle reazioni che avvengono all’interno della cellula e che le permettono di vivere autonomamente) - l’ACCRESCIMENTO: (il fatto di nutrirsi e crescere) - la MOLTIPLICAZIONE: (il fatto di moltiplicarsi, di produrre altre cellule identiche e quindi di aumentare la quantità) - l’IRRATIBILITA’: (la risposta a degli stimoli esterni) CELLULA: è la più piccola parte del protoplasma capace di un’esistenza indipendente. È l’unità morfologica, funzionale e fisiologica di tutti gli organismi viventi. Sia gli organismi unicellulari che pluricellulari, sono tutti composti da cellule molto simili tra di loro. La materia vivente è composta per il 75-85% da ACQUA. La rimanente parte è composta da: - COMPONENTI INORGANICI: per il 97-98% sono composti da ELEMENTI PRIMARI come il Carbonio (C), l’Idrogeno (H), l’Ossigeno (O), l’Azoto (N), lo Zolfo (S) e il Fosforo (P). Oltre a questi elementi primari abbiamo CATIONI (Potassio, Sodio, Calcio e Magnesio) e ANIONI (Cloro, Carbonato, Solfato e Fosfato). Infine abbiamo gli OLIGOELEMENTI, presenti in piccola quantità, ma essenziali per la vita della cellula (Manganese, Ferro, Cobalto, Rame, Molibdeno, Iodio, Bromio, Alluminio, Selenio). - COMPONENTI ORGANICI: CARBOIDRATI, LIPIDI, PROTEINE, ACIDI NUCLEICI. I CARBOIDRATI (Glicidi o Zuccheri) I carboidrati costituiscono più della metà dell’apporto energetico totale e sono costituiti da: CARBONIO, IDROGENO e OSSIGENO. Si dividono in: - MONOSACCARIDI (unità saccaridica del glucosio) - DISACCARIDI (due unità saccaridiche) e OLIGOSACCARIDI (tre o cinque, sei unità saccaridiche) - POLISACCARIDI (tante unità monosaccaridiche) L’apporto giornaliero di carboidrati varia tra i 250 e gli 800 g nella dieta dei paesi occidentali. MONOSACCARIDI Abbiamo la presenza di una sola unità saccaridica e possono essere costituiti da tre (Triosi - Es. Gliceraldeide), cinque (Pentosi - Es. Ribosio) o sei (Esosi - Es. Glucosio) atomi di carbonio. Esosi e pentosi hanno un ruolo fondamentale nei processi nutritivi cellulari; inoltre il Glucosio è il nutriente fondamentale ed insieme al fruttosio si possono trovare in forma libera in alcuni frutti e vegetali. 8 DISACCARIDI o OLIGOSACCARIDI Derivano dall’associazione di due o più molecole di monosaccaridi. Per esempio: SACCAROSIO (zucchero che usiamo in cucina): una molecola di GLUCOSIO + una di FRUTTOSIO MALTOSIO: una molecola di GLUCOSIO + un’altra molecola di GLUCOSIO LATTOSIO: una molecola di GLUCOSIO + una molecola di GALATTOSIO POLISACCARIDI Sono costituiti da una concatenazione di numerose unità monosaccaridiche e possono essere: OMOPOLISACCARIDI: quando le unità monosaccaridiche sono identiche; ETEROPOLISACCARIDI: quando le unità monosaccaridiche sono diverse. Tra i polisaccaridi abbiamo: - AMIDO e GLICOGENO: sono gli zuccheri di riserva di vegetali (amido) e animali (glicogeno). Sono entrambi costituiti da amilosio (lineare, molecole di glucosio unite da un legame α [1 --> 4] monoglicosidico) e da amilopectina (ramificata, molecole di glucosio unite da legami α [1 --> 6], glicosidici nei punti di ramificazione). - CELLULOSA: presente nelle pareti cellulari delle cellule vegetali e non è digeribile dall’organismo umano. E’ un polimero lineare in cui le molecole di glucosio sono unite da legame β [1 --> 4]. Essendo legame beta e non alfa, l’organismo umano non è in grado di digerirla perché non ha enzimi che siano in grado di idrolizzare questo tipo di legame. Queste catene si dispongono parallelamente tra di loro e si uniscono mediante legami deboli formando dei ponti idrogeno. Ha una funzione strutturale nel regno vegetale in quanto costituisce la parete primaria e secondaria delle cellule vegetali. Non essendo digeribile dagli enzimi presenti nell’organismo umano è però fermentata dalla flora batterica intestinale in quanto sono presenti dei batteri che sono in grado di idrolizzare questo tipo di legame. I LIPIDI (Grassi) I lipidi (o grassi) si distinguono in: - TRIGLICERIDI (o triacilgliceroli): costituiscono il 98% dei lipidi presenti nell’organismo. Hanno una funzione di riserva energetica. Li troviamo anche come lipidi di deposito. Sono infatti presenti negli adipociti che sono le cellule che costituiscono il tessuto adiposo che è un tessuto connettivo che immagazzina i grassi come riserva. Costituiscono i grassi animali. Non sono solubili in acqua, sono infatti di natura idrofobica. Hanno una funzione di riserva energetica, di isolamento termico e di sostegno agli organi. - FOSFOLIPIDI - GLICOLIPIDI - COLESTEROLO - VITAMINE IPOSOLUBILI: costituiscono solo il 2% dei lipidi presenti nell’organismo. Hanno una funzione strutturale. Sono presenti nelle membrane cellulari e dal colesterolo si ha la sintesi dei sali biliari e della Vitamina D. 9 GLI ACIDI GRASSI A livello chimico gli ACIDI GRASSI sono catene lineari a numero pari di atomi di carbonio e sono costituiti da un gruppo funzionale (che è il gruppo acido - C - O - OH) legato a una catena laterale diversa a seconda del tipo di acido grasso. Gli ACIDI GRASSI, a parte quelli a catena corta, NON SONO SOLUBILI IN ACQUA E NON SONO VOLATILI. Infatti più aumenta il numero di atomi di Carbonio, più aumenta l’insolubilità in acqua. Possiamo avere: ACIDI GRASSI SATURI: gli atomi di carbonio sono legati tra loro con legami singoli e si distinguono in acidi grassi: - A CATENA CORTA (acido Formico, Acetico, Propionico, Butirrico) - Da 1 a 4 atomi di Carbonio - A CATENA MEDIA (Caprilico, Laurico) - Da 6 a 12 atomi di Carbonio - A CATENA LUNGA (Palmitico, Stearico) - Da 14 a 18 atomi di Carbonio - A CATENA MOLTO LUNGA (Arachidico) - Da 20 a 24 atomi di Carbonio ACIDI GRASSI INSATURI: nella catena lineare di atomi di Carbonio possono essere presenti uno o più doppi legami. Possiamo avere: ACIDI GRASSI MONOINSATURI (es. Acido Oleico): è presente solo un legame ACIDI GRASSI POLINSATURI (es. Acido Linoleico): sono presenti due o più doppi legami La presenza di uno o più doppi legami influisce sulla solubilità in acqua: maggiore è la presenza dei doppi legami e maggiore è la solubilità nell’acqua. LIPIDI SEMPLICI I lipidi semplici derivano dall’esterificazione degli acidi grassi con alcoli. Se per esempio una molecola di glicerolo reagisce per esterificazione con una molecola di acido grasso forma una molecola d’acqua come scarto e un monogliceride in quanto abbiamo un acido grasso legato a uno dei gruppi ossidrilici del glicerolo. Quando poi interagiscono anche gli altri avremo un digliceride e un trigliceride quando sono tutti legati. LIPIDI COMPLESSI I lipidi complessi derivano dai trigliceridi (in quanto abbiamo sempre un glicerolo esterificato con un acido grasso), ma uno dei gruppi ossidrilici è unito con un gruppo fosfato. Queste molecole sono caratteristiche in quanto hanno la parte delle due catene degli acidi grassi che sono idrofobiche (insolubili in acqua) e la parte in cui è legato il fosfato che invece è idrofibico (solubile in acqua). Queste molecole vengono definite molecole anfipatiche e sono le molecole strutturali che compongono le membrane cellulari. I fosfolipidi possono essere anche più complessi quando al gruppo fosfato si legano altri tipi di molecole (es. sfingomielina, fosfotidilserina, fosfotidilcolina). STEROIDI Sono caratterizzati da una struttura di base costituita da quattro anelli di atomi di Carbonio fusi tra loro e da una catena laterale (alifatica nel caso del colesterolo). Agli steroidi appartengono il COLESTEROLO e la VITAMINA D. Entrambi presentano anche un gruppo ossidrile che quindi è idrofilico. Il Colesterolo fa parte delle membrane cellulari per dare una certa rigidità e con il gruppo H rivolto verso la fase acquosa all’interno della cellula 10 LA MATERIA VIVENTE (Aminoacidi e Proteine, Acidi Nucleici - DNA e RNA) AMINOACIDI Gli aminoacidi, che costituiscono le proteine, hanno una struttura chimica caratteristica che è costituita da un gruppo amminico (N - H2) e un gruppo acido che è il gruppo carbossilico (C - O - OH). Il Carbonio centrale, oltre ad essere legato a questi due gruppi funzionali, è legato a un atomo di idrogeno (H) e l’altro legame è unito a un gruppo laterale caratteristico di ogni aminoacido. Gli aminoacidi presenti in natura sono 20 e sono caratterizzati dalla catena laterale differente ed è quella che conferisce proprietà diverse alle proteine in cui sono presenti. Possiamo quindi classificare gli aminoacidi in base alla catena laterale in: - AMINOACIDI NON POLARI (Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, etc..) - AMINOACIDI POLARI MA NON CARICHI (Cisteina, Aspargina, Glutammina, Tirosina, etc..) - AMINOACIDI CARICHI NEGATIVAMENTE (Glutammato, Aspartato, etc..) - AMINOACIDI CARICHI POSITIVAMENTE (Arginina, Lisina, Istidina, etc..) Gli Aminoacidi li possiamo classificare anche in base alla loro necessità. Quindi abbiamo: - AMINOACIDI ESSENZIALI: Essenziali in ogni circostanza. L’organismo umano non è in grado di sintetizzarli. - AMINOACIDI CONDIZIONATAMENTE ESSENZIALI: Richiedono un apporto esogeno. La sintesi endogena non è sufficiente. - AMINOACIDI NON ESSENZIALI: Sintetizzati dall’organismo in quantità sufficienti. 11 Gli aminoacidi sono i costituenti delle proteine e si uniscono nelle proteine attraverso un legame che viene chiamato legame PEPTIDICO. Questo legame avviene tra il gruppo carbossilico di un aminoacido e il gruppo amminico dell’aminoacido successivo con eliminazione di una molecola d’acqua. E’ un tipo di legame planare e quindi dà una certa struttura alla catena peptidica che si forma. La creazione del legame peptidico è una reazione che richiede energia e quindi si ha utilizzo di ATP di cui la idrolisi in ADP a FOSFATO dà l’energia necessaria per la formazione del legame peptidico. Le catene polipeptidiche costituiscono di fatto le proteine. LE PROTEINE Le proteine sono delle macromolecole che svolgono le più svariate funzioni all’interno della cellula e sono caratterizzate da una struttura che si può dividere in tre o quattro livelli per le proteine più complesse. Le proteine derivano da una sequenza presente nel DNA che è il GENE. Si dice cu un GENE CODIFICA PER UNA PROTEINA. Le strutture si dividono in: - STRUTTURA PRIMARIA: è data dalla sequenza degli amminoacidi che la compongono ed è specifica di ogni proteina. 12 - STRUTTURA SECONDARIA: gli aminoacidi interagiscono tra di loro e formano delle strutture particolari. I tipi di struttura secondaria maggiormente presenti nelle proteine sono l’alfa-elica (gli aminoacidi che sono posizionati gli uni vicini agli altri nella sequenza primaria, interagiscono mediante legami deboli a formare una struttura ad elica i cui gruppi laterali dei vari aminoacidi sono proiettati verso l’esterno dei lati dell’elica), il foglietto beta-ripiegato (le catene laterali di aminoacidi interagiscono in modo tale da farsi che la catena polipeptidica si ripieghi su se stessa a formare una lamina o foglietto in cui i gruppi laterali degli aminoacidi sono proiettati metà da un lato del foglietto e l’altra metà dal lato opposto del foglietto) e il ripiegamento-beta. - STRUTTURA TERZIARIA: anche questa dipende dalle interazioni tra i gruppi laterali degli aminoacidi che però sono posizionati un po’ più distanti tra loro rispetto alla sequenza primaria. Questi tipi di legami sono di diverso tipo: legami deboli (es. legame a idrogeno, legame ionico, interazione idrofobica) oppure, per gli aminoacidi che presentano nella catena laterale un atomo di zolfo, possiamo avere un’interazione tra questi a formare un ponte di solfuro. La struttura terziaria da quindi un avvolgimento tale alla proteina da formare una struttura tridimensionale complessiva. Molte proteine sono costituite da una singola catena polipeptidica e quindi la loro struttura terziaria determina la struttura finale della proteina. - STRUTTURA QUATERNARIA: formata dall’unione e dall’interazione di più catene polipeptidiche. Tra queste abbiamo l’emoglobina, che è una proteina globulare, che è costituita da quattro catene polipeptidiche che sono uguali a due a due (catene alfa e catene beta). E’ una proteina abbastanza complessa perché, oltre a derivare dall’unione di quattro catene polipeptidiche, è presente anche un gruppo EME, ovvero una molecola particolare che conti ene il ferro che permette gli scambi tra ossigeno e anidride carbonica. Anche il collagene ha una struttura quaternaria, è una proteina presente nei tessuti connettivi ed è costituita da tre catene identiche avvolte a formare una tripla elica per dare maggiore resistenza al tessuto. FUNZIONI DELLE PROTEINE Le proteine svolgono diverse funzioni e praticamente tutte le funzioni metaboliche svolte dalla cellula sono svolte dalla proteine. Abbiamo quindi proteine con funzioni: 13 - STRUTTURALI: danno sostegno alla cellula e/o ai tessuti. - ENZIMATICHE: funzionano da catalizzatori facendo in modo che avvengano determinate reazioni all’interno della cellula. - TRASPORTO: presenti sulla membrana plasmatica che delimita la cellula e permettono il passaggio di determinate molecole che altrimenti non sarebbero in grado di oltrepassare la barriera della membrana plasmatica. - MOTRICI: permettono il movimento cellulare e nel caso del tessuto muscolare permettono la contrazione muscolare. Tra queste la actina e miosina. - REGOLATRICI: regolano l’attività di altre molecole attivando o inibendo determinate reazioni. - RECETTORIALI: le troviamo sulla superficie esterna della membrana plasmatica e sono in grado di ricevere dei segnali dall’ambiente esterno, come può essere l’interazione di un recettore con un neurotrasmettitore e questo poi provoca una risposta all’interno della cellula. - ORMONALI: portano i segnali regolatori tra le cellule. - ANTICORPI: hanno una funzione di difesa. - ACCUMULO: hanno la funzione di riserva di molecole. 14 ACIDI NUCLEICI - DNA E RNA Gli acidi nucleici presenti all’interno della cellula sono due, ovvero: - DNA - ACIDO DESOSSI RIBONUCLEICO - RNA - ACIDO RIBONUCLEICO Hanno una struttura simile e sono entrambi catene polinucleotidiche in cui la struttura di base è il nucleotide. Il nucleotide è costituito da una molecola di zucchero che è il desossi ribosio nel caso del DNA e il ribosio nel caso del RNA. A questa molecola di zucchero è legato un gruppo fosfato o più gruppi fosfati (monofostato, difosfato, trifosfato) e una base che può essere una base purinica o pirimidinica. Le BASI PIRIMIDINICHE sono: - URACILE (presente solo nel RNA - Assente nel DNA) - TIMINA (presente solo nel DNA - Assente nel RNA) - CITOSINA (presente sia nel DNA che nel RNA) Le BASI PURINICHE sono: - ADENINA (presente sia nel DNA che nel RNA) - GUANINA (presente sia nel DNA che nel RNA) Le basi puriniche sono costituite da due anelli policiclici. Le basi possono appaiarsi tra loro tramite ponti di idrogeno (H) e questo appaiamento tra le basi è sempre tra ADENINA e TIMINA (o URACILE nel caso del RNA) e tra CITOSINA e GUANINA. 15 DIFFERENZA TRA DNA E RNA Oltra alla presenza del desossi ribosio o ribosio e dell’uracile o della timina un’altra differenza sostanziale è che il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche antiparallele che sono legate tra loro mediante l’appaiamento tra adenina-timina e citosina-guanina a formare una doppia elica. Mentre l’RNA è una singola molecola polinucleotidica costituita dai diversi nucleotidi in sequenza con le diverse basi. DNA La struttura del DNA è stata scoperta per la prima volta nel 1953 da Watson e Crick che pubblicarono sulla rivista “Nature” la struttura tridimensionale del DNA. Questo è stato possibile grazie agli studi precedenti della scienziata inglese Franklin che aveva fatto degli esperimenti mediante diffrazione dei raggi X. Sulla base di questi studi si è riusciti a determinare la struttura a doppia elica del DNA. Per quanto riguarda la struttura chimica del DNA, il nucleotide ha una carica elettronica attorno e la presenza dei gruppi fosfato nella catena di base dà al DNA una carica NEGATIVA. La struttura a doppia elica, fa si che si formi un SOLCO MAGGIORE e un SOLCO MINORE che, grazie all’appaiamento sempre costante di Adenina e Timina e di Citosina e Guanina, fa si che il DNA abbia una struttura molto regolare con una larghezza tipica di 20 Angstrom. Sono TRE LE FUNZIONI che caratterizzano il materiale genetico: - IL DNA E’ DEPOSITARIO DELL’INFORMAZIONE CHE CODIFICA I CARATTERI EREDITARI. - IL DNA CONTIENE L’INFORMAZIONE PER DIRIGERE LA PROPRIA DUPLICAZIONE. Quando abbiamo la divisione cellulare è necessario duplicare il DNA nelle due cellule e questo è possibile proprio grazie all’informazione che il DNA stesso contiene. - IL DNA CONTIENE L’INFORMAZIONE PER DIRIGERE IL PROCESSO DI COSTRUZIONE DI PROTEINE SPECIFICHE. All’interno della catena di DNA sono presenti i geni che codificano per specifiche proteine dove ogni gene codificherà per una specifica proteina. 16 Il DNA è all’interno delle cellule: nelle cellule procariotiche è libero nel citoplasma, mentre nelle cellule eucariotiche è separato e si trova all’interno del nucleo. Essendo molto lungo se svolto completamente, per poter stare all’interno delle cellule deve avvolgersi e super avvolgersi. Come si avvolge e super avvolge il DNA: abbiamo visto che è una doppia elica caratterizzata dai gruppi fosfati carichi negativamente. Questi si avvolgono grazie alla presenza di proteine particolari chiamate ISTONI che sono proteine con carica positiva che si associano in gruppi di otto e, attorno a questi gruppi, il DNA si avvolge facendo un paio di giri intorno a questo nucleosoma. I vari nucleosomi si super avvolgono ancora tra di loro a formare una struttura sempre più super avvolta fino ad arrivare alla caratteristica struttura del cromosoma che è presente nelle cellule in divisione. E’ presente anche un altro ISTONE, denominato H1, che ha la funzione di LINKER e permette al DNA una maggiore adesione all’ottamero istonico. COME SI DUPLICA IL DNA Il DNA per potersi duplicare deve innanzitutto svolgersi, ovvero separare le due eliche che lo compongono. In seguito a questa separazione abbiamo poi degli enzimi (nel caso specifico la DNA POLIMERASI) che sintetizzano delle molecole complementari sempre seguendo l’appaiamento dell’adenina con la timina e della guanina con la citosina. Questo processo fa si che a seguito di questa polimerizzazione si ottengano due molecole di DNA identiche alla precedente e ognuna di queste due eliche contiene un polinucleotide appartenente all’elica vecchia e una di nuova sintesi. 17 La REPLICAZIONE DEL DNA è una REPLICAZIONE SEMICONSERVATIVA in quanto alla fine solo metà della molecola di partenza (parentale) è presente nella molecola finale. Quindi ne conserva solo una parte. La DNA POLIMERASI è un enzima che è in grado di sintetizzare un nuovo filamento SOLAMENTE IN DIREZIONE 5’ - 3’ prendendo come stampo il filamento 3’ - 5’ del DNA. Questo vuol dire che da una parte avremo un FILAMENTO GUIDA CONTINUO che man mano che si svolge il DNA verrà continuamente sintetizzato; mentre in senso opposto, la DNA polimerasi non può partire dall’estremità perché non è in grado di sintetizzare in direzione opposta e quindi partirà man mano che si svolge il DNA a formare dei frammenti più corti: si parla di FILAMENTO IN RITARDO, filamento lento formato da tanti frammenti di DNA che poi verranno riuniti. Questo è possibile però grazie ad un PRIMER, ovvero un piccolo frammento RNA sintetizzato dalla DNA PRIMASI che è un enzima che riesce a partire dal DNA a singola elica in quanto la DNA polimerasi, per poter sintetizzare nuovo DNA deve potersi attaccare ad uno stampo, ad un primer (passaggio 1). Quindi man mano che si svolge il DNA verrà sintetizzato un nuovo primer dalla DNA primasi e la DNA polimerasi proseguirà fino a che non incontrerà il precedente primer sintetizzato nel momento prima (passaggio 2). Quando la DNA polimerasi incontrerà il precedente primer, questo verrà rimosso in modo tale che la DNA polimerasi possa proseguire fino al punto in cui incontra il DNA sintetizzato precedentemente (passaggio 3). A questo punto la DNA polimerasi si stacca e interviene un altro enzima, la DNA LIGASI che unisce le due molecole di DNA sintetizzato (passaggio 4). Questo FILAMENTO è detto LENTO proprio perché devono avvenire tutti questi processi. 18 PROTEINE CHE INTERVENGONO NEL PROCESSO DI DUPLICAZIONE DEL DNA Sono molte le proteine che intervengono nel processo di duplicazione del DNA e che hanno un ruolo fondamentale. Abbiamo: - DNA GIRASI: permette lo svolgimento del DNA. Lo taglia in un punto per evitare il superavvolgimento dovuto dalla torsione, tirando da una parte per evitare che si superavvolga. - ELICASI: srotola il DNA in modo da poterlo aprire. - PROTEINE SSB: legano il DNA a singolo filamento in modo da stabilizzare la forcella che si sta aprendo e quindi mantenendo in posizione il DNA svolto. - RNA PRIMASI: inizia la sintesi di un nuovo filamento a cui poi si lega la DNA polimerasi che sintetizza il nuovo filamento di DNA. Anche nell’altro senso (l’altra elica, quella continua) avremo un pezzettino di RNA primasi a cui poi si legherà la DNA polimerasi che potrà continuare senza interruzioni man mano che il DNA si svolge. - DNA LIGASI: unisce i frammenti sul filamento lento una volta che si stacca la DNA polimerasi, unendo le due molecole di DNA sintetizzato. DUPLICAZIONE NEL DETTAGLIO DEL FILAMENTO LENTO Inizialmente viene sintetizzato RNA primer (in verde), a cui poi si aggiunge un filamento di DNA che viene poi sintetizzato dalla DNA polimerasi sullo stampo e che prosegue finché non incontra il precedente RNA primer. Quando lo incontra la polimerasi si ferma e questo RNA verrà quindi rimosso. Verrà tagliato da una proteina specifica facendo il modo che l’RNA primer si apra e la DNA polimerasi possa proseguire. 19  Il filamento tagliato viene poi degradato da esonucleasi, mentre la DNA polimerasi può proseguire fino a quando non incontra il DNA precedentemente sintetizzato. A questo punto interviene la DNA ligasi che chiude le due molecole di DNA. ERRORI NELLA REPLICAZIONE DEL DNA In tutto questo processo possono avvenire anche degli errori durante la replicazione. Può essere che non sempre l’appaiamento sia corretto: non sempre all’adenina corrisponde timina e viceversa e lo stesso con guanina e citosina. In questa fase intervengono degli enzimi che utilizzano una delle due eliche come stampo e correggono l’errore. Ma in un caso potremmo avere la sequenza corretta. Nell’altro caso avremo una mutazione nel DNA se viene scelta come stampo la base che non era quella di origine. RNA L’RNA è molto simile al DNA in quanto contiene anch’esso dei nucleotidi. Abbiamo però solo una catena nucleotidica, lo zucchero non è il desossi ribosio ma il ribosio, l’Uracile prende il posto della Timina. Esiste in diversi tipi, con diverse funzioni: - RNA MESSAGGERO (mRNA) - RNA TRANSFER (tRNA) - RNA RIBOSOMALE (rRNA) Essendo una molecola a singolo filamento può assumere diverse configurazioni dovute alle interazioni tra i legami idrogeni e le basi. In questo caso avremo sempre gli appaiamenti tra, all’interno della molecola di RNA, Adenina con Uracile e Guanina con Citosina. 20 RNA MESSAGGERO - mRNA: è una copia di un determinato gene che codifica per una determinata proteina. Si posiziona sui ribosomi e permette poi all’RNA TRANSFER di intervenire portando l’aminoacido corrispondente alla sequenza. RNA TRANSFER - tRNA: ha una struttura particolare, detta a trifoglio, ed è l’RNA che interviene nella sintesi proteica portando l’aminoacido che corrisponde ad una determinata sequenza di tre basi presente sul RNA MESSAGGERO. Questa struttura a trifoglio gli permette di unirsi al ribosoma e fare il modo che avvenga il legame peptidico tra due RNA diversi, tra i due aminoacidi. RNA RIBOSOMALE - rRNA: è quello che costituisce i ribosomi insieme a delle proteine ribosomiali e sono degli organelli costituiti da due sub unità, una maggiore e una minore, che contengono diversi tipi di RNA RIBOSOMALE. 21 ORGANISMI VIVENTI Gli organismi viventi sono in grado di: - Riprodursi e trasmettere i propri caratteri (eredità) - Compiere un ciclo vitale - Rinnovare continuamente la propria struttura - Reagire agli stimoli - Muoversi - Evolversi (adattarsi ai cambiamenti ambientali) RIPRODUZIONE DEGLI ORGANISMI VIVENTI È l'insieme dei meccanismi mediante i quali gli esseri viventi provvedono alla conservazione della propria specie generando nuovi individui simili a sé e che subentreranno al genitore, o ai genitori, nella popolazione. Può essere di due tipi: ASESSUATA SESSUATA Divisione mitotica – moltiplicazione cellulare Anfigonia Scissione Partenogenesi Frammentazione Gemmazione Poliembrionia Sporulazione MOLTIPLICAZIONE CELLULARE - DIVISIONE MITOTICA (Asessuata) Genera individui che mantengono invariato il patrimonio genetico del genitore. Avviene per divisione mitotica di una cellula madre che si divide in due generando due cellule figlie identiche. Quindi non cambia il patrimonio ereditario. E’ l’unica forma di riproduzione degli ORGANISMI UNICELLULARI e serve a incrementare una popolazione di organismi geneticamente uguale. Negli ORGANISMI PLURICELLULARI è il meccanismo con cui si svolge l’accrescimento del singolo individuo. Le cellule somatiche presenti negli individui si duplicano per mitosi. SCISSIONE (Asessuata) Un individuo generante, mediante la divisione del proprio corpo, genera individui figli identici tra loro e identici al generante. 22 FRAMMENTAZIONE (Asessuata) Una parte dell’organismo si stacca e, ognuna delle due parti o più parti, forma un nuovo individuo completo e identico al generante. GEMMAZIONE (Asessuata) Avviene tramite la formazione di gemme laterali che si separano definitivamente mediante una strozzatura e danno origine a nuovi individui uguali al generante. Tipica del lievito. La gemma diventa sempre più grande fino alla separazione del nuovo individuo. POLIEMBRIONIA (Asessuata) Consiste nella divisione in due o più parti dello zigote (prima cellula che si forma dopo la fecondazione) oppure l'embrione nei primissimi stadi di sviluppo può dividersi in due o più parti (è praticamente la formazione dei gemelli monozigoti, ovvero dei gemelli identici). SPORULAZIONE (Asessuata) Particolari cellule specializzate (sporocisti), sono in grado, in condizioni ambientali sfavorevoli, di produrre per divisione mitotica delle speciali cellule riproduttive, dette mitospore capaci di generare un nuovo individuo quando il contesto ambientale diventa favorevole. Le mitospore sono munite di una spessa parete di protezione che permette loro di resistere alle condizioni avverse. 23 RIPRODUZIONE SESSUATA La riproduzione sessuata è invece una riproduzione in cui si ha variabilità genetica e deriva dalla fusione dei gameti (gamete maschile e gamete femminile). La fecondazione è la fusione dei gameti, mentre la meiosi è quel processo di divisione che genera i gameti. DIVISIONE MEIOTICA: una cellula della linea germinale duplica il proprio DNA, va incontro ad una prima divisione durante la quale si ha un processo, chiamato “crossing over”, in cui i cromosomi omologhi, appaiati, si scambiano fisicamente delle parti di DNA aumentando quindi la variabilità genetica. Nella seconda divisione meiotica non si ha duplicazione del DNA e quindi i cromosomi vengono separati nelle cellule figlie per ottenere, al termine di questa divisione, quattro cellule aploidi che sono i gameti, maschili o femminili (nel caso delle piante si producono le spore). ANFIGONIA (Sessuata) Fecondazione di due gameti per formare una nuova cellula: lo zigote. La fusione dei due gameti aploidi genera una cellula diploide, lo zigote, contenente tutto il materiale genetico del nuovo individuo: metà proveniente dal gamete maschile e metà da quello femminile. Per questo motivo sarà diverso dai genitori. PARTENOGENESI (Sessuata) E’ un tipo di riproduzione che avviene tramite sviluppo di gameti femminili in assenza di fecondazione. Avviene generalmente per auto attivazione dell’uovo non fecondato che per restituzione anafasica ricostituisce un genoma diploide, omozigote in tutti i loci, cioè avente due assetti aploidi identici. La partenogenesi è generalmente un evento accidentale ed è difficile che lo zigote si sviluppi. Solo in alcune specie invece la partenogenesi è una forma di riproduzione alternativa a quella anfigonica e genera prole: è il caso del Bacillus Rossius (insetto stecco) e di alcuni imenotteri sociali tra cui le api e le vespe. 24 CICLO VITALE Il ciclo vitale di un organismo vivente è quello che si intende il ciclo che dalla nascita porta alla crescita (aumento della dimensione cellulare e/o aumento del numero di cellule), allo sviluppo (modificazioni strutturali e funzionali fino a un progressivo rallentamento e deterioramento delle funzionalità), alla riproduzione, alla morte. Ha una durata variabile a seconda della specie: si può andare da poche ore (es. batteri) a secoli (es. piante secolari). METABOLISMO Il metabolismo è il complesso delle trasformazioni di natura chimica che avvengono negli organismi viventi e che avvengono all’interno di ogni singola cellula. Lo possiamo dividere in: - ANABOLISMO: Produce molecole complesse a partire da molecole più semplici e con consumo di energia (reazioni endoergoniche). Esempio: biosintesi di una proteina per cui dagli aminoacidi che sono molecole più semplici si ottiene una proteina che è costituita non solo da aminoacidi ma può subire poi delle modificazioni. - CATABOLISMO: Degrada molecole complesse in molecole più semplici (reazioni esoergoniche) liberando energia. Esempio: la respirazione cellulare o Ciclo di Krebs. Nello specifico, con il termine metabolismo si intende: - CAPACITA’ DI NUTRIRSI: Organismi autotrofi. Sono quegli organismi che sono in grado di nutrirsi utilizzando molecole inorganiche. E’ il caso delle piante che attraverso la luce attivano la fotosintesi clorofilliana per cui a partire da anidride carbonica e acqua riescono a sintetizzare molecole organiche, quindi il glucosio e da lì altre molecole organiche. Organismi eterotrofi. E’ il caso degli animali. Devono nutrirsi di altre molecole organiche già sintetizzate per poi trasformarle, metabolizzarle in altre molecole utili all’organismo. - CAPACITA’ DI TRASFORMARE MATERIA ED ENERGIA: insieme delle reazioni chimiche e fisiche che avvengono in un organismo o in una delle sue parti. - CAPACITA’ DI REAGIRE AGLI STIMOLI ESTERNI: questi stimoli sono per esempio i cambiamenti di temperatura e pressione, presenza o assenza di luce, cambiamenti chimici. Come conseguenza della reazione agli stimoli si hanno diverse situazioni come formazioni di spore, letargo, mimemitismo, reazione ai rumori o a stimoli olfattivi, fototropismo. - CAPACITA’ DI MOVIMENTO: bisogna distinguere gli organismi unicellulari (che si muovono tramite movimento ameboide, caratteristico delle Amoebe che si 25  muovono emettendo dal corpo dei prolungamenti chiamati pseudopodi, oppure attraverso il movimento di ciglia o flagelli) e gli organismi superiori che si muovono attraverso allungamenti o rotazioni (piante) oppure attraverso organi preposti, come pinne, zampe, ali, arti (animali). CONDIZIONI AMBIENTALI Sono quelle condizioni fisiche e biologiche indispensabili perché ci sia esistenza, ovvero: - presenza di acqua - presenza di ossigeno - concentrazione salina - concentrazione idrogenionica (pH) - temperatura - luce AMBIENTI BIOLOGICI Gli ambienti biologici sono di diverso tipo e, a seconda dell’ambiente, si sono sviluppate forme di vita diverse adattate all’ambiente in cui si sono trovate. Possiamo dividere gli ambienti in due grandi categorie: - AMBIENTE ACQUEO: - AMBIENTE MARINO (suddiviso in dominio bentonico o di fondo: è l’ambiente dove vivono tutti gli organismi legati più o meno direttamente ai fondali e può essere di tipo litoraneo o di tipo profondo); dominio pelagico: Formato dalle acque libere, distanti dalle coste e da fondo, che si estendono dalla superficie fino agli abissi delle fosse oceaniche e nelle quali vivono tutti gli organismi che conducono una vita non vincolata in maniera esclusiva al fondale. Nell’ambiente marino la variabilità maggiore è data da salinità e dall’ossigenazione. Gli organismi viventi nell’ambiente marino li possiamo distinguere in tre tipologie: plancton (alghe, meduse, piccoli crostacei), necton (pesci, cetacei, tartarughe) e benthos (vivono a stretto contatto con il fondo come crostacei, alghe, animali sessili, cioè ancorati e incapaci di muoversi). - AMBIENTE D’ACQUA DOLCE (comprende i laghi: quelli di montagna essendo più freddi hanno una quantità di flora e di fauna limitata rispetto a quelli che si trovano in pianura; fiumi, torrenti, sorgenti: dove abbiamo una fauna e una flora diversa a seconda che abbiano un corso lento o impetuoso, acque calde o fredde). - AMBIENTE TERRESTRE: Varia in base a latitudine, longitudine, sottosuolo, vegetazione, clima e stagioni. Inoltre si ha maggiore variabilità dovuta dalla temperatura e dall’umidità. Possiamo distinguere: - AMBIENTE EPIGEO (organismi che vivono sulla superficie della terra) 26  - AMBIENTE IPOGEO (organismi che vivono dentro la terra come grotte, anfratti, gallerie scavate nel sottosuolo). Abbiamo infine un AMBIENTE ENTOZOICO, dove endoparassiti vivono all’interno di un altro animale ospite. RAPPORTI INTRASPECIFICI Sono i rapporti che intercorrono tra individui della stessa specie che possono unirsi e vivere insieme in: - COLONIE: gli individui, dopo essersi riprodotti per via asessuata tramite gemmazione, non si separano e rimangono fisicamente uniti. Nelle colonie omeomorfe tutti gli individui sono uguali; nelle colonie eteromorfe gli individui si specializzano a svolgere funzioni diverse e quindi è una colonia più evoluta dove c’è già una divisione dei compiti. - SOCIETA’ ANIMALI: rapporti tra animali della stessa specie che, per quanto fisicamente separati, conducono vita comune. Le società animali possono essere temporanee, durature, individualiste o collettiviste. RAPPORTI INTERSPECIFICI Sono i rapporti tra individui di specie diversa che si instaurano all’interno di uno stesso ambiente. Le relazioni che si instaurano riguardano la nutrizione e l’occupazione degli spazi. Possiamo avere: - SIMBIOSI: individui di specie diverse convivono per trarre un beneficio reciproco. La possiamo dividere in: - MUTUALISMO: nessuno degli individui è in grado di vivere isolato (Paguro). - COMMENSALISMO: solo una delle due specie trae vantaggio dall’associazione, ma non danneggia l’altra (pesce pagliaccio, acari) - INQUILINISMO: i rapporti tra le due specie si riducono all’occupazione di uno spazio comune. - AMENSALISMO: una specie impedisce o diminuisce il successo di un’altra senza però trarne vantaggio. Si ha quando un organismo produce una sostanza chimica, come parte del suo normale metabolismo, che ha un effetto negativo su altri organismi (Es. funghi producono degli antibiotici o dei battericidi e quindi intorno non si sviluppano altri individui). - PARASSITISMO: Una delle due specie conviventi, il parassita, trae vantaggio dall’associazione a scapito dell’altra, l’ospite, creandole un danno biologico. Il parassita dipende dall'ospite a cui è più o meno intimamente legato da una relazione anatomica e fisiologica. Il parassita ha una struttura anatomica più semplice di quella dell’ospite. L’ospite è più grande del parassita. Il ciclo vitale del parassita è più breve di quello dell'ospite e si conclude prima della morte dell'ospite. Il parassita ha rapporti con un solo ospite, ma non viceversa. Può essere: 27 - FACOLTATIVO: non si hanno modificazioni morfo-funzionali. - OBBLIGATO: la vita del parassita è subordinata a quella dell’ospite. Possiamo distinguere i parassiti in: - ECTOPARASSITI: adottano elaborati meccanismi e vere e proprie strategie per attaccare un ospite. (Es. sanguisughe). - ENDOPARASSITI: attaccano l’ospite in modo passivo. Li troviamo all’interno dell’ospite (Es. gli endoparassiti dell‘intestino umano infestano l’uomo attraverso l’ingestione di acqua sporca o di cibi infestati. Hanno subito grosse modificazioni morfo-funzionali.) Esempi di parassitismo sono il verme solitario (Taenia solium) e la malaria (plasmodium malariae). 28 BIOTECNOLOGIE Per capire a cosa servono le biotecnologie bisogna prima ricordare che cosa sono il MICROSCOPIO OTTICO (strumento che ci permette di aumentare il limite di risoluzione dell’occhio umano e quindi ci permette di vedere le cellule, sia vive che sotto fissativo. Funziona grazie ad un fascio di luce che colpisce il campione che viene posto su un vetrino e viene poi convogliato, attraverso un obiettivo oculare, all’occhio e quindi è possibile vedere le cellule) ed il MICROSCOPIO ELETTRONICO (strumento in cui un fascio di elettroni che attraverso vari condensatori riproducono l’immagine su uno schermo. Arriva fino al nanometro e può essere di due tipi: a trasmissione con il quale riusciamo a vedere tutte le strutture subcellulari oppure a scansione dove riusciamo a vedere l’immagine in tre dimensioni). La preparazione del campione per il microscopio elettronico è abbastanza complesso, in quanto dovendo essere attraversato da un fascio di elettroni la sezione del campione deve essere molto sottile (dell’ordine dei 100 nanometri). Per poter effettuare questo tipo di sezione, è indispensabile prima trattare il campione che viene così lavato, disidratato e immerso in una resina che polimerizza e si infiltra al posto dell’acqua. A questo punto otterremo un blocchetto solido che contiene anche il nostro campione che verrà inserito in uno strumento chiamato ultramicrotono che seziona il campione in sezioni sottili di circa 100 nanometri che verranno poi posti su una griglia che sarà quella utilizzata poi dal microscopio elettronico. Se invece vogliamo isolare i vari organelli cellulari presenti nelle cellule lo possiamo fare mediante quello che viene chiamato GRADIENTE DI DENSITA’: si inserisce il saccarosio nella provetta, insieme poi al campione da isolare. Attraverso un’ultracentrifugazione, dopo alcune ore, i vari organelli sedimentano finché non raggiungono il livello nella provetta che ha la stessa loro densità, formando delle bande. I gradienti di densità si utilizzano anche per separare gli acidi nucleici (DNA e RNA). Una volta separati DNA e RNA è possibile estrarli ed analizzarli in modo approfondito. 29 Attraverso gli ENZIMI DI RESTRIZIONI è possibile, per esempio, separare le due eliche di DNA che vengono tagliate in due sequenze di basi palindromiche (esempio T-T-C-G-A e A-G-C-T-T), producendo due estremità complementari. Si arriva poi a produrre un gran numero di copie della sequenza del DNA senza clonaggio (processo chiamato PCR - Polymerase Chain Reaction). PROGETTO GENOMA UMANO Nel 1990 è iniziato il progetto genoma umano, finito nel 2002. Consisteva nel sequenziare tutto il genoma umano. Questo è stato possibile grazie all’utilizzo di macchine in grado di leggere la sequenza di DNA in breve tempo e in modo automatico e quindi tutto il DNA, il genoma umano è stato tutto sequenziato. Il genoma umano consiste in 3 miliardi di paia di basi e solo il 3% è costituito da DNA codificante. Il restante 97% è detto intergenico o non codificante. PROGETTO TOPI TRANSGENICI Altri studi della biotecnologia sono quelli effettuati sui topi transgenici, ovvero topi in cui è stato inserito un gene proveniente da un altro organismo. Questo è stato possibile utilizzando le cellule prese ai primi stadi di sviluppo di un embrione, successivamente isolate e nelle quali veniva inserito il DNA di interesse. Lo scopo era quello di produrre un animale transgenico che potesse trasmettere il transgene alla progenie (ai figli). PROGETTO DELLA CLONAZIONE Nel 1997 si è arrivati alla prima clonazione. E’ stata infatti clonata una pecora (Dolly): primo mammifero clonato da una cellula di un adulto. Dolly è una pecora identica alla madre, questo perché è stato preso il nucleo di una cellula indifferenziata di una pecora ed è stato sostituito al nucleo di una cellula uovo. Questa cellula uovo poi è stata fatta sviluppare fino alla nascita della pecora Dolly. CELLULE STAMINALI Sono cellule indifferenziate che possono differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula. Possiamo avere: - CELLULE STAMINALI EMBRIONALI (CSE): sono in grado di produrre qualsiasi cellula del nostro organismo (dette anche CELLULE TOTIPOTENTI). - CELLULE STAMINALI DELL’ADULTO (CSA): possono dare origine ad un certo numero di tessuti (dette anche CELLULE PLURIPOTENTI o MULTIPOTENTI). 30 CITOLOGIA (Cellula procariote ed eucariote, Virus, Batteriofagi, Viroidi, Prioni) Le cellule esistenti in natura sono di tre tipi: - CELLULA BATTERICA (PROCARIOTE) - CELLULA VEGETALE (EUCARIOTE) - CELLULA ANIMALE (EUCARIOTE) Sia la cellula vegetale che la cellula animale sono entrambe cellule eucariote, ma la cellula vegetale ha delle specializzazioni in più che permettono alla pianta di essere organismi autotrofi, quindi in grado di sintetizzarsi le molecole organiche di cui necessitano. Mentre gli animali sono organismi eterotrofi e quindi devono nutrirsi di altri organismi e sostanze che apportano gli zuccheri necessari. CELLULA PROCARIOTE A questa tipologia di cellula appartengono i batteri ed alcune alghe unicellulari. La cellula procariote vive di vita autonoma, non deve quindi infettare per forza un altro organismo. I batteri li possiamo classificare in base a diverse caratteristiche: - IN BASE ALLA FORMA: Bacilli (a bastoncino); Cocchi (a sfera); Diplococchi (due cocchi uniti); Streptococchi (disposti a catena); Stafilococchi (disposti a grappolo); Spirilli (a spirale); Vibroni (a virgola); Spirochete (con più curve). - IN BASE ALLA TEMPERATURA: Criofili o Psicrofili (bassa temperatura), Mesofili (temperatura ambiente), Termofili (alte temperature) - IN PRESENZA O ASSENZA DI OSSIGENO: Aerobi (presenza di ossigeno), Anaerobi (assenza di ossigeno, Aerobi/Anaerobi facoltativi (in entrambe le situazioni). - IN BASE AL GRADO DI ACIDITA’: Acidofili (ambiente acido); Alcalofili (ambiente basico); Alofili (elevate concentrazioni saline). 31 La struttura della cellula batterica è molto semplice: partendo dall’esterno abbiamo una CAPSULA che protegge la cellula e ci possono essere dei pili o dei flagelli che permettono al batterio di muoversi in ambiente acquatico. Subito sotto c’è la PARETE CELLULARE composta da una membrana esterna, da uno strato di peptidoglicano fino ad arrivare alla MEMBRANA PLASMATICA (o membrana cellulare) al cui interno è presente il CITOPLASMA, ovvero una soluzione acquosa in cui troviamo il cromosoma batterico (il DNA) che è circolare e prende il nome di NUCLEOIDE, e i ribosomi per la sintesi proteica. In alcuni casi possono essere presenti altre piccole molecole di DNA circolare che sono detti PLASMIDI e che sono in grado di duplicarsi autonomamente all’interno del batterio. La struttura della parete cellulare può essere di due tipi e vengono classificate in base a come reagiscono ad un colorante chiamato Gram: PARETE CELLULARE dei GRAM-POSITIVI PARETE CELLULARE dei GRAM-NEGATIVI Le differenze più importanti tra le due tipologie di pareti cellulare sono che lo strato di peptidoglicano è più spesso (e si colora) nella parete cellulare sensibile al Gram (infatti colorandosi diventa positivo); nella parete cellulare non sensibile al Gram (non si colora e diventa negativa) è presente una capsula ed una membrana esterna (che non permettono appunto al Gram di creare la reazione colorante), oltre allo strato di peptidoglicano (più sottile). In entrambe le pareti poi sono presenti la membrana plasmatica e il citoplasma. DUPLICAZIONE DELLE CELLULE PROCARIOTE I procarioti si duplicano per una banale scissione. Perché questa avvenga deve duplicarsi inizialmente il DNA batterico che è circolare e presenta in un determinato punto una sequenza particolare che prende il nome di origine di replicazione. Da qui il DNA comincia a duplicarsi in entrambe le direzioni e, man mano che si duplica, l’origine di replicazione migra ai poli opposti della cellula che intanto si allunga e, verso la fine, quando il DNA si è completamente duplicato ed abbiamo le due molecole circolari, avviene la scissione binaria, quindi la divisione della cellula in due cellule. Nei batteri è un processo molto veloce (in alcuni casi anche in meno di venti minuti). 32 CELLULA EUCARIOTE La cellula eucariote costituisce le cellule animali e le cellule vegetali. E’ molto più complessa rispetto alla cellula procariote in quanto è sempre delimitata da una membrana plasmatica al cui interno c’è il citoplasma, ma il DNA della cellula non è più libero nel citoplasma, ma si trova all’interno di un involucro nucleare, chiamato NUCLEO in cui, oltre al DNA sono presenti anche altre proteine e RNA. All’interno del citoplasma, oltre ai RIBOSOMI che permettono la sintesi proteica, abbiamo una serie di altri organelli costituiti da membrana che si dividono i vari compiti della cellula. Tra questi abbiamo i MITOCONDRI (sintetizzano le molecole di ATP nel momento in cui si ha bisogno di energia per certe reazioni metaboliche), LISOSOMI e PEROSSISOMI (svolgono funzioni digestive), RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO o RUGOSO (sintetizza proteine che dovranno andare all’esterno della cellula o all’interno di altri organuli cellulari), APPARATO DEL GOLGI (funzione di spostamento di materiali all’interno della cellula). CELLULA ANIMALE CELLULA VEGETALE Mettendo a confronto una cellula animale e una vegetale (entrambe eucariote, quindi con la presenza del NUCLEO, del reticolo e tutto il sistema di membrane), si può notare come la cellula vegetale in più ha una parete cellulare esterna costituita fondamentalmente da cellulosa, i cloroplasti che sono gli organuli deputati alla fotosintesi clorofilliana (alla sintesi di glucosio a partire da acqua ed anidride carbonica) e un grosso vacuolo centrale che contiene una soluzione acquosa e che permette la turgidità della cellula (crescita, sostegno e immagazzinamento). MEMBRANA PLASMATICA Ha una struttura formata da un doppio strato fosfolipidico in cui sono intercalate proteine che svolgono diverse funzioni e danno alla membrana la sua caratteristica non solo di delimitare la cellula, ma di selezionare le sostanze che dovranno entrare o uscire dalla cellula. INVOLUCRO NUCLEARE Costituito da una doppia membrana che separa il DNA dal resto del citoplasma. 33  RETICOLO ENDOPLASMATICO Il reticolo endoplasmatico si divide in rugoso (presenta ribosomi) dove vengono sintetizzate proteine che non devono rimanere all’interno della cellula e che verranno convogliate o verso altri organuli cellulari o verso l’esterno, e liscio che svolge altre funzioni sempre collegate alle proteine ed altre modificazioni chimiche di altre molecole. COMPLESSO DI GOLGI Convoglia le proteine sintetizzate nel reticolo verso la destinazione finale. Ha quindi una funzione di spostamento di materiali all’interno della cellula. MITOCONDRO Sono presenti sia nella cellula animale che vegetale. Sintetizzano l’ATP che è la molecola che contiene l’energia utile perché avvengano certe reazioni chimiche. CLOROPLASTA Presente nella cellula vegetale e hanno la funzione di svolgere la fotosintesi clorofilliana. TABELLA RIASSUNTIVA DI CONFRONTO TRA PROCARIOTI ED EUCARIOTI 34 Oltre alle cellule esistono altri organismi che non si possono definire propriamente cellule perché non sono in grado di vivere autonomamente. Sono: VIRUS, BATTERIOFAGI, VIROIDI, PRIONI. VIRUS E BATTERIOFAGI Virus e batteriofagi sono strutturalmente molto simili tra loro ed hanno bisogno di infettare un’altra cellula per replicarsi e riprodursi con la differenza che i virus si riproducono all’interno di cellule eucariotiche, mentre i batteriofagi (detti anche fagi) si riproducono all’interno dei batteri, quindi devono infettare delle cellule batteriche (cellule procariote). Per fare questo inseriscono il loro acido nucleico nella cellula ospite e questa, non riconoscendola come estraneo, comincerà a replicare sia il DNA che a trascriverlo, quindi a tradurre le proteine del virus o del fago per poi costituire nuove particelle virali che poi andranno ad infettare altre cellule. VIRUS I virus hanno una struttura molto simile ai batteriofagi. I virus animali contengono il genoma virale, che può essere DNA o RNA, ed è racchiuso all’interno di un involucro proteico chiamato CAPSIDE che è costituito da subunità (CAPSOMERI) disposti in modo regolare e spesso simmetrico. Questo capside ha la funzione di proteggere il genoma virale in ambiente extra cellulare (quindi quando non sta infettando) e consente l’aggancio e la penetrazione del virus all’interno della cellula ospite. In alcuni casi potrebbe essere presente un ulteriore involucro presente all’esterno del capside che prende il nome di PERICAPSIDE. Si possono CLASSIFICARE in base a diverse suddivisioni e caratteristiche: - IN BASE AL TIPO DI CELLULA INFETTATA (Batteriofagi, Virus vegetali, Virus animali) - IN BASE ALL’ACIDO NUCLEICO (Desossiribovirus - Virus a DNA; Ribovirus/retrovirus - Virus a RNA) - IN BASE ALLA FORMA (Allungati, Sferici, Poliedrici) - IN BASE AL TIPO DI SIMMETRIA (a simmetrica Cubica, Elicoidale, Complessa) 35 I Virus si replicano aderendo alla parete della cellula da infettare, chiamata membrana cellulare. Poi rilasciano degli enzimi che consentono questa adesione. Successivamente il capside viene dissolto ed il genoma virale entra nella cellula ospite. A questo punto abbiamo la duplicazione del genoma virale, la sintesi delle proteine del capside ed infine l’assemblaggio delle nuove particelle virali. Quando poi la cellula sarà piena di queste particelle virali si avrà la lisi della cellula con la fuoriuscita delle particelle virali che andranno ad infettare altre cellule. BATTERIOFAGI I batteriofagi, quando infettano una cellula batterica, possono andare incontro a due tipi di REPLICAZIONE: CICLO LITICO (se abbiamo Batteriofagi di tipo virulento) Composto da 5 fasi (Aggancio, Penetrazione, Replicazione e sintesi, Assemblaggio e Rilascio), il DNA del fago, dopo che il fago si è agganciato al batterio, entra nella cellula, si replica e le componenti del fago vengono assemblate in nuovi virus prima di essere rilasciati all’esterno del batterio potendo così infettare altre cellule. CICLO LISOGENICO (se abbiamo Batteriofagi di tipo temperato) Composto da 4 fasi (Aggancio, Penetrazione, Integrazione, Replicazione), il DNA del fago, una volta avvenuto l’aggancio tra il fago e il batterio, penetra ed entra nella cellula batterica. A questo punto, il DNA non viene replicato e non vengono sintetizzate le proteine, ma si integra con il DNA batterico. Questo nuovo DNA composto dal DNA del virus e dal DNA batterico prende il nome di PROFAGO. Il profago integrato si replica quando il DNA batterico viene replicato. Successivamente, un evento esterno, come per esempio il cambio delle condizioni climatiche, il DNA del virus può essere escisso dal DNA batterico, diventare attivo ed a quel punto si potrebbe verificare la replicazione attraverso il ciclo litico. 36  CICLO INFETTIVO DEL FAGO LAMBDA Il fago lambda può andare incontro sia al ciclo litico che al ciclo lisogenico. Anche andando incontro al ciclo lisogenico, ad un certo punto (vedi punto 6), il DNA virale può essere escisso dal DNA batterico, diventando così attivo ed entrando così nel ciclo litico (vedi punto 7). 37 LA MEMBRANA PLASMATICA (Struttura e Funzioni) La membrana plasmatica è quella struttura che delimita le cellule e ne regola il passaggio delle varie sostanze e le varie funzioni della cellula permettendo anche la comunicazione tra cellule adiacenti. Vista al microscopio elettronico si presenta come una struttura trilaminare, costituita da un doppio strato di fosfolipidi che, in acqua, si associano per dare appunto un doppio strato grazie al fatto che sono molecole anfipatiche (ovvero che hanno una parte idrofila e una parte idrofoba) di forma pressoché cilindrica. Le catene idrofobiche di acidi grassi non sono a contatto con l’acqua, mentre lo sono le teste idrofiliche. Questa struttura di base permette una certa plasticità della membrana. Insieme a questo doppio strato fosfolipido sono intercalate delle proteine che svolgono le diverse funzioni della membrana plasmatica. 38 Possono esserci: - PROTEINE ESTRINSECHE: sono proteine posizionate sulla faccia esterna o la faccia interna della membrana plasmatica. - PROTEINE INTRINSECHE: sono tutte all’interno della parte idrofobica della membrana plasmatica. - PROTEINE TRANSMEMBRANA: sono quelle che attraversano tutta la membrana plasmatica. Possono essere a SINGLE PASS (quando attraversano la membrana una volta sola) oppure MULTIPLE PASS (quando la proteina stessa è ripiegata più volte e quindi ci sono più passaggi attraverso la membrana). Le proteine, attraverso i vari passaggi nella membrana, si dispongono in modo tale da formare un canale: gli aminoacidi che sono a contatto con lo strato esterno fosfolipidico saranno aminoacidi idrofobici, quindi non polari; mentre gli aminoacidi che si troveranno all’interno del canale stesso della proteina saranno aminoacidi polari, quindi idrofilici, per permettere il passaggio dell’acqua o di altre soluzioni. Oltre alle proteine, nella membrana plasmatica possiamo trovare delle molecole di COLESTEROLO con la funzione di dare più rigidità alla membrana. Ricordiamo che il colesterolo è formato da quattro anelli fusi tra loro più la coda idrofobici ed un gruppo ossidrile (OH) che è idrofilico. All’interno della membrana plasmatica il colesterolo è disposto con i quattro anelli fusi tra loro e la coda idrofobica affiancando le code di acidi grassi dei fosfolipidi, mentre il gruppo ossidrile (OH) si dispone vicino ai gruppi fosfati dei fosfilipidi. Alcuni fosfolipidi possono essere glicosilati ed abbiamo così anche la presenza di GLICOLIPIDI e quindi zuccheri legati al gruppo fosfato. Normalmente quando abbiamo dei glicolipidi la parte con i carboidrati si trova sulla faccia esterna della membrana, quindi verso l’esterno della cellula. 39 Attraverso l’esperimento di Frye-Edidin si è potuto dimostrare che il doppio strato di fosfolipidi della membrana plasmatica è fluido: i lipidi di membrana si spostano lateralmente nel doppio strato e quindi le proteine ad esse associate si muovono con i fosfolipidi. I fosfolipidi si possono muovere sia linearmente che verso l’interno. Solo raramente avviene il movimento di passaggio da un emistrato all’altro (movimento chiamato flip-flop). Utilizzando invece la tecnica del “Freeze-fracture”, la cellula viene congelata rapidamente e successivamente fratturata allo scopo di separare le due metà del doppio strato fosfolipidico e permettere quindi l’analisi dell’interno della membrana. Le proteine associate agli strati fosfolipidici rimangono o da un lato o dall’altro lato lasciando un’impronta dal lato opposto. Attraverso questi esperimenti si è potuto arrivare a quello che è denominato il “modello a mosaico fluido”, dove si può vedere la membrana nella sua totalità: il doppio strato fosfolipidico, le proteine di membrana, i glicolipidi e le molecole di colesterolo. All’interno della cellula, quindi dal lato citoplasmatico ci sono anche tutti i filamenti del citoscheletro (microfilamenti, filamenti intermedi, microtuboli) che danno un po’ di forma alla cellula e permetto movimenti di vescicole o altre sostanze all’interno della cellula. 40 LE FUNZIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA La struttura della membrana plasmatica, molto complessa, le permette di svolgere numerose funzioni: oltre a PROTEGGERE la cellula e darle FORMA, permette lo SCAMBIO DI SOSTANZE NUTRITIVE, permette il TRASPORTO (che può essere attivo o passivo a seconda che ci sia o meno utilizzo di energia, quindi ATP), è REATTIVA AGLI STIMOLI ESTERNI quindi in base ad uno stimolo esterno si ha una risposta intracellulare, RISPONDE AGLI ORMONI. Inoltre la membrana permette le INTERAZIONI e COMUNICAZIONI con le altre cellule. Ed infine ha proprietà ANTIGENICHE e REAZIONI IMMUNITARIE. Le proteine presenti sulla membrana plasmatica svolgono quindi le più diverse funzioni: PROTEINE DI ANCORAGGIO Connettono la cellula con le fibre del tessuto sottostante (es. Integrina). PROTEINE DI TRASPORTO PASSIVO Formano dei canali e permettono il passaggio di molecole, di ioni, dall’esterno all’interno della cellula o viceversa secondo gradiente di concentrazione: queste molecole si sposteranno da una zona più concentrata ad una zona meno concentrata. PROTEINE DI TRASPORTO ATTIVO Permettono il trasporto attivo, quindi trasportano ioni o altre molecole contro gradente di concentrazione (es. pompa sodio potassio che porta fuori il sodio e porta dentro il potassio). Questo può avvenire solo utilizzando energia data dall’idrolisi dell’ATP. PROTEINE CON ATTIVITA’ ENZIMATICA Questi enzimi associati alla membrana catalizzano delle reazioni che possono avvenire all’interno o sulla superficie della membrana stessa. PROTEINE PER TRASDUZIONE DEL SEGNALE Ricevono dall’esterno un segnale attraverso un legame con una particolare molecola (come può essere un ormone) e trasmettono questo segnale all’interno della cellula facendo avvenire un altro tipo di reazione in risposta al legame con la molecola a cui si sono legate. PROTEINE DI RICONOSCIMENTO CELLULARE Sono degli antigeni di membrana che vengono riconosciuti da anticorpi specifici. PROTEINE DI GIUNZIONE INTERCELLULARE Permettono la giunzione ed il passaggio di sostanze tra le cellule. 41 MECCANISMI DI TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA Per vedere i tipi di trasporto che avvengono all’interno della cellula è importante sapere cos’è la: - DIFFUSIONE: le molecole si dissolvono e si diffondono nell’acqua fino a distribuirsi in modo uniforme nella massa d’acqua. La diffusione è una situazione passiva, dovuta appunto al movimento delle molecole all’interno di una soluzione. - OSMOSI: la membrana plasmatica è una membrana semipermeabile. Questo significa che permette il passaggio di acqua, ma non il passaggio di soluti più grossi. Se immergiamo un sacchetto di saccarosio (2M) in tre beaker con una soluzione diversa avremo tre reazioni diverse: Nel beaker con una soluzione in CONDIZIONE IPOTONICA (es. acqua distillata, quindi con una concentrazione più bassa di saccarosio rispetto al sacchetto che immergiamo) le molecole di acqua verranno richiamate dal beaker al sacchetto di saccarosio che si gonfierà; nel beaker con una soluzione in CONDIZIONE IPERTONICA (es. saccarosio 10M, quindi con una concentrazione più alta di saccarosio rispetto al sacchetto che immergiamo) le molecole di acqua verranno richiamate dal sacchetto di saccarosio verso il beaker, facendolo diminuire di dimensione; nel beaker con la soluzione in CONDIZIONE ISOTONICA (es. saccarosio 2M, quindi con una concentrazione uguale di saccarosio rispetto al sacchetto che immergiamo), non ci sarà movimento di molecole d’acqua dal sacchetto al beaker o viceversa. Queste situazioni avvengono allo stesso modo se al posto del sacchetto di saccarosio abbiamo delle cellule: in base alla condizione della soluzione in cui si trovano (Ipotonica, Ipertonica, Isotonica) si rigonfiano, si raggrinziscono o rimangono invariate. 42 Adesso che abbiamo visto la differenza tra diffusione e osmosi, possiamo analizzare i meccanismi di trasporto che avvengono attraverso la membrana plasmatica. Il TRASPORTO di molecole all’interno o all’esterno della cellula può essere PASSIVO (senza utilizzo di energia) o ATTIVO (con utilizzo di energia). Possiamo distinguere: - TRASPORTO A DIFFUSIONE SEMPLICE (T. Passivo - A): il passaggio di una molecola avviene attraverso il doppio strato lipidico senza l’aiuto di proteine (es. ossigeno o anidride carbonica scambiata dai globuli rossi). - TRASPORTO A DIFFUSIONE SEMPLICE ATTRAVERSO UN CANALE ACQUOSO (T. Passivo - B): le proteine formano un canale e permettono il passaggio di soluti in soluzione acquosa (es. sodio, acqua). Le PROTEINE CANALE sono proteine transmembrana multiple pass in cui più domini transmembrana attraversano più volte la membrana e formano un canale. Gli aminoacidi rivolti verso l’interno del canale saranno aminoacidi polari; mentre gli aminoacidi che interagiscono con i fosfolipidi saranno aminoacidi idrofobici e che quindi possono interagire e formare dei legami con le code degli acidi grassi dei fosfolipidi. - TRASPORTO A DIFFUSIONE FACILITATA SECONDO GRADIENTE CONCENTRAZIONE (T. Passivo - C): alcune proteine specifiche permettono il passaggio secondo gradiente di concentrazione (es. glucosio). In questo caso avremo delle PROTEINE CARRIER, proteine che cambiano conformazione per permettere il passaggio delle molecole secondo gradiente di 43 concentrazione (all’esterno avremo un alto gradiente di concentrazione, mentre all’interno della cellula un basso gradiente di concentrazione. La molecola interagisce e si lega alla proteina carrier e questo legame fa si che la proteina cambi conformazione e permetta l’ingresso della molecola all’interno della cellula. Come se la proteina carrier fosse una porta aperta verso l’esterno, ma nel momento che la molecola interagisce e si lega con la proteina, si chiude la porta verso l’esterno e si apre quella verso l’interno. Una volta che la molecola è entrata all’interno della cellula, la proteina carrier ritorna nella sua conformazione iniziale, chiudendo la porta verso l’interno e riaprendo quella verso l’esterno, permettendo così ad altre molecole di entrare. - TRASPORTO ATTIVO - D: avviene contro gradiente di concentrazione e per farsi che avvenga questo tipo di trasporto viene utilizzata una molecola di ATP che viene idrolizzata da ADP e FOSFATO liberando energia necessaria per questo tipo di trasporto. E’ l’esempio della Pompa sodio-potassio (Na+ - K+). La Pompa sodio-potassio fa si che tre ioni sodio all’interno della cellula vengano trasportati all’esterno della cellula e due ioni potassio presenti all’esterno della cellula entreranno all’interno della cellula, entrambi contro gradiente di concentrazione, quindi con utilizzo di una molecola di ATP. La proteina carrier (che in questo caso è una pompa perché si utilizza ATP) è inizialmente rivolta con la porta aperta verso l’interno della cellula. In questo modo tre ioni sodio possono legarsi alla proteina (1). Questo legame fa si che l’ATP interagisca con la proteina, avvenga l’idrolisi dell’ATP e, il gruppo fosfato che si stacca dall’idrolisi dell’ATP, si va a legare alla proteina trasportatrice (2). Questo legame del fosfato con la proteina fa si che questa cambi conformazione e quindi chiuda la porta verso l’interno della cellula e la apra verso l’esterno della cellula. A questo punto gli ioni sodio possono uscire verso l’esterno (3) e poiché il fosfato è comunque legato alla proteina all’interno, la proteina rimane aperta verso l’esterno e due ioni potassio si legheranno a un sito specifico all’interno della proteina (4). Il legame del potassio alla proteina di trasporto fa si che il gruppo di fosfato si stacchi all’interno della cellula (5). Questo distacco porterà di nuovo la proteina ad assumere la sua conformazione inziale e quindi il potassio può essere rilasciato all’interno della cellula (6). A questo punto la proteina carrier sarà pronta ad iniziare un nuovo ciclo (7). Il trasporto è contro gradente e, ad ogni ciclo, viene utilizzata una molecola di ATP. 44 Esiste anche un TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO. Nel trasporto secondario non viene speso direttamente ATP, ma viene sfruttata la differenza di potenziale elettrochimico creata dai trasportatori attivi che pompano ioni al di fuori della cellula. Questo significa che il trasporto secondario si basa comunque sul consumo di ATP, che permette di mantenere la differenza di potenziale senza la quale non ci sarebbe possibilità di trasporto secondario. Esistono altri processi di trasporto attraverso membrana che non sono dovuti alla presenza di proteine, ma sono proprio vescicole che si fondono con la membrana. Tra questi processi abbiamo: - PROCESSO DI ESOCITOSI: avviene quando la cellula deve rilasciare qualcosa all’esterno. Una vescicola secretoria (che contengono proteine o sostanze che devono essere portare fuori dalla cellula) si avvicina alla membrana plasmatica e si fonde con essa. Fondendosi rilascia il suo contenuto verso l’esterno e la membrana che delimitava la vescicola andrà a fare parte della membrana plasmatica. 45 - PROCESSO DI FAGOCITOSI: è il processo inverso rispetto a quello di esocitosi. Infatti avviene quando la cellula deve inglobare qualcosa dall’esterno. In questo caso è la membrana plasmatica stessa che forma delle pieghe, delle estroflessioni intorno alla molecola da ingerire e si richiude. Si forma così una vescicola all’interno della cellula. Intervengono poi dei lisosomi (organelli che degradano le sostanze o di rifiuto o da metabolizzare) che si fondono con la vescicola stessa e gli enzimi litici presenti all’interno dei lisosomi degraderanno le sostanze inglobate. Le sostanze degradate poi potranno andare incontro a due diverse situazioni: potranno essere portate all’esterno della cellula tramite processo di esocitosi o potranno rimanere all’interno della cellula e formare dei granuli di pigmento di lipofuscina. Questi granuli ci possono indicare l’età della cellula: più saranno presenti all’interno della cellula e più sarà anziana. - PROCESSO DI PINOCITOSI: è l’ingresso in massa di piccole molecole che entrano nella cellula attraverso dei microvilli che si chiudono intorno a queste molecole formando delle vescicole interne. Il contenuto di queste vescicole diffonderà secondo gradiente di concentrazione all’interno della cellula stessa. 46 - ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI: delle molecole bersaglio si legano a dei recettori specifici sulla cellula bersaglio. Una volta che avviene questo legame si ha la formazione, all’interno della cellula, di una vescicola rivestita da una particolare proteina chiamata clatrina. Questo processo avviene, per esempio, per l’assorbimento delle LDL (Low Density Lipoproteins - Lipoproteine a bassa intensità, conosciute come il colesterolo cattivo). 47 IL CITOSCHELETRO Il citoscheletro è praticamente lo SCHELETRO della cellula ed è costituito da MICROTUBOLI, FILAMENTI INTERMEDI e FILAMENTI. E’ un sistema di filamenti proteici ed ha la funzione di mantenere la struttura e la forma della cellula. Inoltre serve per l’ancoraggio degli organuli e macromolecole all’interno della cellula. E’ responsabile della formazione delle fibre del fuso durante la divisione mitotica. Permette il movimento cellulare ed è una struttura dinamica che viene continuamente scomposta e riassemblata. E’ costituito da una rete di fibre subito al di sotto della membrana plasmatica. Queste fibre sono ancorate alla membrana plasmatica stessa grazie a delle proteine di membrana. Tra questa rete di fibre abbiamo: 48 - MICROTUBULI: sono i filamenti più spessi. Hanno un diametro di 20-25 nanometri. Sono costituiti da diverse subunità di tubulina (dimero di subunità alfa e subunità beta) che sono cave e si dispongono infatti circolarmente. Hanno la funzione di impalcatura per determinare la forma della cellula. Sono anche quelli che permettono il movimento di organelli cellulari e di vescicole all’interno della cellula (per esempio le vescicole che dal reticolo vanno al golgi e dal golgi verso la membrana plasmatica piuttosto che verso un altro organello). Inoltre formano le fibre del fuso durante la mitosi che permette la separazione dei cromosomi nelle due cellule figlie. Li troviamo anche all’interno di ciglia e flagelli che sono strutture presenti in alcuni tipi di cellule che permettono il movimento cellulare. Si formano all’interno della cellula per aggiunta di dimeri di alfa- tubulina e di beta-tubulina ad un’estremità del cilindro cavo. Il cilindro possiede una polarità: da una parte si ha l’aggiunta di dimeri (estremità più), dalla parte opposta si ha la rimozione di dimeri (estremità meno). Per ogni giro di spirali sono necessari 13 dimeri. Di conseguenza possiamo dire che è una struttura molto regolare e dinamica. Ai microtubuli sono associate delle proteine (chiamate MAP) che sono quelle che permettono lo spostamento di vescicole o altre molecole all’interno della cellula. Queste proteine hanno tre siti di legame con la tubulina, intervallate da distanz