Gli acidi nucleici 2 PDF

Mediante un approccio multidisciplinare, si possono comprendere le basi biologiche dei processi cognitivi. Gli argomenti principali trattati dal corso: a. Cos’è il metodo scientifico sperimentale, come si procede quando uno studioso vuole acquisire una conoscenza definita come “scientifica”. È u...

Mediante un approccio multidisciplinare, si possono comprendere le basi biologiche dei processi cognitivi. Gli argomenti principali trattati dal corso: a. Cos’è il metodo scientifico sperimentale, come si procede quando uno studioso vuole acquisire una conoscenza definita come “scientifica”. È un metodo costituito da diverse tappe, da cui si ottengono dati e conoscenze scientifiche, che sono quindi universali e verificabili. b. Caratteristiche salienti degli organismi viventi, cosa distingue la materia vivente da quella non vivente, dal punto di vista biologico. c. Le macromolecole della vita, DNA, RNA e proteine, come interagiscono con i meccanismi molecolari (processi come traduzione, divisione…). Capiremo il significato dei geni e cosa succede quando ci sono delle malattie genetiche (alterazioni di alcuni geni o modificazione dell’espressione dei geni). d. La cellula; gli organali e il loro funzionamento, studieremo il ciclo cellulare e i meccanismi di controllo del ciclo cellulare; la divisione cellulare e il suo significato fisiologico: la mitosi (processo dove si sviluppano i tessuti e l’organismo si accresce, ma a volte le cellule possono subire dei danni, quindi il corpo rimedia duplicando una cellula sana vicina, lasciando morire la precedente) e la meiosi (processo dove avviene la formazione dei gameti). e. La genetica, cioè le modalità di trasmissione dei caratteri ereditari, i geni sono pillole di informazioni e si studia: Il cariotipo umano (l’insieme dei cromosomi, lunghe macromolecole di DNA, nelle cellule). Il genotipo e fenotipo (fenotipo: quello che appare, deriva dal genotipo e dall’interazione che ha con l’ambiente dal concepimento fino alla morte). Differenza tra genotipo e fenotipo è fondamentale.  Le leggi dell’ereditarietà (Mendel padre della genetica). La genetica molecolare (come sono costituti i geni). La regolazione dell’attività dei geni. Le mutazioni e la variabilità genetica (durante la duplicazione del DNA si possono verificare degli errori e delle mutazioni. Le mutazioni hanno un’accezione negativa. Possono verificarsi anche delle variabilità genetiche, la variabilità genetica è il cuore dell’evoluzione). I geni-malattia (alterazione di geni che portano a malattie). f. Geni e comportamento, quali sono quei geni (uno o più) che sono collegabili al comportamento umano, in ambito patologico. Alterazione di singoli geni ed effetti sul comportamento: 1. Mutazioni del gene dell'opsina e alterazione della percezione dei colori. 2. Mutazioni del gene di Huntington determinano la comparsa del morbo di Huntington. 3. Mutazioni a carico di canali voltaggio-dipendenti e malattie neurologiche specifiche. Origine multigenica di manifestazioni comportamentali complesse; studi sperimentali condotti su gemelli monozigoti 1. Schizofrenia. 2. Disturbo bipolare. La schizofrenia o il disturbo bipolare non hanno un legame diretto con l’alterazione dei geni. Nelle malattie non è così ma la genetica ha un ruolo nel predisporre l’insorgenza a una determinata malattia. g. I neuroni e la modalità di trasmissione dell’impulso nervoso, i neuroni e le cellule gliali, la citologia dei neuroni, i diversi tipi di neuroni (neuroni sensitivi, piramidali, motoneuroni), interazioni tra neuroni: la trasmissione dell'impulso nervoso, il potenziale di membrana, i canali ionici, i neurotrasmettitori e i neuroni specchio e "sistema mirror". Libri consigliati: L’organismo vivente: Esiste la materia vivente e non vivente: La materia vivente, non è soggetta alla seconda legge della termodinamica —> l’universo va da uno stato di ordine ad uno stato di disordine. Gli organismi viventi sono particolari perché le macromolecole di cui sono composte sfuggono alla seconda legge della termodinamica, infatti sono caratterizzati dal mantenere la propria organizzazione: Anche i batteri più semplici hanno un livello notevole di organizzazione. L’organizzazione cede quando l’organismo invecchia. Quando l’organismo cresce, l’organizzazione accresce e viene mantenuta nel tempo. Quando muore diventa materia non vivente e successivamente avviene la decomposizione. Gli organismi viventi perpetuano il livello di organizzazione tramite la riproduzione, in quanto trasferisce l’organizzazione ad un nuovo essere vivente. Gli organismi viventi si riproducono perché attraversati da un flusso continuo di energia, ovvero gli alimenti. Gli organismi viventi si dividono in: Organismi autotrofi (piante…). Contengono il pigmento “clorofilla”, attraverso il quale avviene la fotosintesi clorofilliana e catturano l’energia luminosa del sole. Si chiamano così perché “autotrofi” vuol dire essere in grado di produrre il cibo.  Organismi eterotrofi (uomo…). “Eterotrofo” significa procurarsi il cibo da altre piante o da altri animali. Utilizzano energia presente nei legami chimici da elementi che mangiano, non sintetizzano da soli come gli organismi autotrofi. Dal momento in cui siamo concepiti dobbiamo avere una fonte di cibo. Chi è più importante tra autotrofi ed eterotrofi? Sono importanti entrambi, perché è un ciclo, ciò che viene prodotto serve ad entrambi. Necessità di disporre di una quantità sufficiente di energia, introduzione di alimenti: In tutti gli organismi viventi vi è un flusso di energia (o auto prodotta o presa dall’esterno). È fondamentale avere energia (per le attività fisiche e intellettuali) e avere composti organici per soddisfare i bisogni energetici. Noi dobbiamo periodicamente introdurre una serie di alimenti, che hanno tre livelli di importanza: 1. Dobbiamo soddisfare dei bisogni energetici per il mantenimento delle strutture dell’organismo. 2. Non tutto ciò che mangiamo si converte in caloria ma serve per ricostituire strutture che si sono danneggiate nell’organismo (come le proteine…). Ad esempio noi utilizziamo i monomeri per costruire il collagene umano, così abbiamo costituito una proteina che serve al corpo. 3. Elementi nutrizionali definiti “funzionali”, come le vitamine, alcuni sali minerali… perché grazie a loro si realizzano delle reazioni enzimatiche, hanno un ruolo funzionale per questa ragione (la  proteina ha principalmente un ruolo di rinnovamento delle strutture). Permettono agli enzimi del metabolismo di funzionare. Da queste osservazioni deduciamo che la nutrizione umana e di tutti gli organismi viventi è importante per viarie dimensioni: 1. Energetica (per lavorare, ragionare…). 2. Rifornimento dei materiali. 3. Necessità di elementi nutrizionali essenziali, detti “funzionali”. Quando mangiamo non dobbiamo fare sempre il calcolo “cibo-caloria”, infatti il nostro organismo deve assumere carboidrati, zuccheri… ma non solo questi, anche proteine, lipidi, vitamine… La nutrizione va ben pensata quindi, deve essere varia e selettiva. Anche le diete vanno ragionate (non si possono eliminare tutta una serie di elementi, possono insorgere anche malattie). Un altro aspetto da aggiungere agli altri tre, relativo all’uomo, è che il cibo diventa un momento di scambio molto bello, ma la nutrizione può causare problemi in alcune persone perché dipende dalla mente e dalle emozioni in quella persona che può arrivare a rifiutare il cibo fino a morire o al contrario mangiare in maniera esagerata. Il metodo scientifico: Esistono ricerche scientifiche e non scientifiche. Le ricerche scientifiche seguono un metodo ben preciso, ovvero il “metodo scientifico” composto da diverse parti che vanno necessariamente affrontate. Parliamo così di scienza, che cos’è? La scienza è un’area del sapere umano che ha due caratteristiche fondamentali: 1. Il rigore, cioè per fare scienza si devono seguire regole ben precise. 2. L’oggettività, perché quando si attua una ricerca scientifica non ci deve essere la parte sentimentale, non ci devono essere neanche dei pregiudizi. Uno dei primi pensatori che ha cercato di spiegare le motivazioni alla base della scienza è stato Aristotele. Aristotele è stato un filosofo che ha dato una prima definizione di scienza. Secondo lui l’essere umano fa scienza perché vuole cercare la meraviglia perché le persone fanno ricerca perché sono curiose di capire quali siano le motivazioni che causano un fenomeno (naturale, fisco, chimico…). Generalmente nella scienza quando si trovano delle risposte esse originano altre domande, non vi è mai fine perché la curiosità guida la scienza. Fin dall’antichità ci sono state discipline etichettate come “scientifiche” come l’algebra, la biologia, la chimica… sono discipline scientifiche per i motivi precedenti. Nell’epoca moderna riscontriamo altre aree definite come “scientifiche”, anche se storicamente non avevano nulla di scientifico ma si sono basate di recente sul metodo scientifico. Tra queste discipline c’è anche la psicologia. Anche nella ricerca psicologica si basano sul metodo scientifico, originando così ricerche scientifiche. La ricerca scientifica non è né migliore né peggiore di una non scientifica. Il metodo scientifico: È una lista di diverse fasi che un ricercatore, che vuole mettere in atto una ricerca scientifica, deve seguire nell’ordine preciso, senza saltare dei passaggi. Le fasi sono: 1. Osservazione, si guarda un fenomeno, possibilmente più volte, in maniera attenta, curiosa (così da permettere di notare dettagli in più), senza pregiudizi e deve essere un’osservazione ripetuta, in modo da cogliere tutti gli aspetti del fenomeno nella sua interezza. 2. Problema, il ricercatore si pone una domanda, dopo aver osservato il fenomeno. Deve porsi la domanda corretta (ecco perché si deve osservare il fenomeno più volte). Se ci si pone la domanda sbagliata il resto dei passaggi può essere compromesso. Esempio: come mai avviene il fenomeno "X" nelle condizioni "Y" e non avviene nelle condizioni "Z"? Qual è la causa di ciò che ho osservato? Che relazione esiste tra lo stimolo "X" e la risposta "Y"? 3. Ipotesi di soluzione, si cerca di rispondere alla domanda, ma resta un’ipotesi perché non si hanno a disposizione dei dati che possano indicare se l’ipotesi sia vera o meno, la si formula in base ai due passaggi precedenti. 4. Verifica o confutazione, mi permette di verificare o confutare l’ipotesi fatta. Come si fa? Si stendono protocolli sperimentali scientifici che ci permettano di ottenere risultati che determinino se l’ipotesi iniziale sia vera —> teoria. L’ipotesi non è corretta (perché non spiega quello che ci siamo domandati) —> ipotesi confutata, e allora si ricomincia da capo (osservazione, formulare nuovo problema, nuova ipotesi…). Le verifiche o la confutazione possono essere di tipo osservazionale o sperimentale. 5. Conclusione o teoria, se si ha lavorato bene si hanno teorie o conclusioni importanti sulla base dei passaggi precedenti. La teoria scientifica è una ipotesi avente valore predittivo, e non ancora confutata. Le teorie scientifiche non sono né assolute (esenti da ulteriori verifiche) né immutabili. 6. Comunicazione, la scienza in quanto tale, condivide i risultati ottenuti con tutta la comunità scientifica, non solo ad essa ma alla comunità in generale. Comunicano alla comunità scientifica tramite articoli scientifici che riassumono gli step del metodo scientifico e comunicano i risultati. La lingua è l’inglese in quanto la comunità scientifica è internazionale (anche se tanti ora sono scritti in cinese). Abbiamo gli articoli scritti, e i convegni. Chiaramente, mentre l’articolo viene stampato e letto individualmente, il convegno viene svolto oralmente davanti a molte persone e il ricercatore ha un tempo limitato, dove immediatamente al termine, altri studiosi possono porre domande e obiezioni. Abbiamo anche la parte di comunicazione alla comunità generale (oggi tramite i social media, Internet…), quindi si usano meno termini tecnici, mantenendo lo stesso concetto. Negli articoli scientifici, l’articolo viene mandato ad una rivista e letto dall’editor, se è approvato sceglie alcuni revisori anonimi o alla cieca, che sono sempre dispari (ricercatori a cui  viene mandato l’articolo senza lista degli autori perché così sia oggettiva), i revisori lo leggono e possono decidere che il metodo e i risultati non abbiano senso scientifico e mandano il commento all’editor che lo comunica agli autori, quindi non può esser pubblicato l’articolo e così gli studiosi cominciano da capo. Al contrario se la ricerca è approvata dai revisori anonimi l’editor pubblica l’articolo (succede poco spesso). Talvolta, ci sono punti che necessitano di essere approfonditi secondo i revisori anonimi. Esempio: Nel freezer troviamo due bottiglie identiche ma in una l’acqua è congelata e nell’altra no, anche se sono state messe contemporaneamente nel freezer (sappiamo che è acqua, contenuta nelle stesse bottiglie, area medesima, volume medesimo, tempo medesimo). Ci chiediamo cosa abbia influito sullo stato del congelamento dell’acqua. Per rispondere si assaggiano le due diverse acque per vedere se ci siano altre sostanze (esempio vi è dentro il sale che rallenta il congelamento). Il piano sperimentale è rifarlo con altre acque, mettendo noi stessi del sale in quantità diverse. Così abbiamo verificato l’ipotesi dell’inizio. Così si può scrivere una teoria scientifica, che non sono però eterne. Ora si può comunicare il risultato ottenuto. —> (le teorie scientifiche non sono eterne perché non è detto che non possano essere modificate o con il progredire della ricerca non possano essere confutate). Il dogma centrale della biologia spiega il flusso dell’informazione genetica dal DNA all’RNA, alle proteine. Quando è stato formulato per la prima volta si è detto che il flusso va in un’unica direzione e non torna indietro. Sono stati però scoperti i retrovirus (che causano l’insorgenza dei virus). Virus, hanno il DNA Retrovirus, hanno l’RNA, il loro materiale genetico è un filamento di RNA. Quando un virus infetta una cellula, inietta all’interno il proprio filamento di DNA, che si integra con il DNA della cellula infettata, e utilizzando la trascrizione e la trasmissione ne infettano altre di conseguenza. L’infezione di un retrovirus è simile, ma il retrovirus usa l’RNA, che non si integra nel DNA, utilizza un enzima particolare (trascrittasi inversa). = Quindi si è scoperto che il flusso dell’informazione genetica segue una unica direzione ma può anche tornare indietro. (Caso stamina citato dalla sostituta). Esempio di ricerca scientifica: “Studio sulla natura chimica della sostanza che induce una trasformazione ereditabile in un tipo di pneumococchi” Esperimento di F. Griffit. 1928. Griffith era un medico inglese che tentava di trovare un vaccino per la polmonite. Ha utilizzato due ceppi di batteri, appartenenti alla stessa famiglia (diplococcus pleumoniæ) che causavano l’insorgenza della polmonite. La differenza tra i ceppi è che uno era virulento (causava polmonite), l’altro non era virulento (non causava l’insorgenza della polmonite). I batteri formano sempre delle colonie, che contengono migliaia di batteri. Griffith ha preso una soluzione di batteri e l’ha collocata su una piastra e ha fatto crescere i due ceppi di batteri, che si sono organizzati in colonie. Le colonie hanno un aspetto diverso a seconda del ceppo batterico:  Ceppo virulento S, formano colonie rotonde, color bianco perlaceo, da un aspetto liscio perché i batteri hanno una struttura particolare (all’esterno della membrana hanno una capsula formata da zuccheri che protegge il batterio dall’attacco del sistema immunitario dell’ospite che infetta, ecco perché sono virulenti). Ceppo batterio R, hanno una superficie opaca e sono rugosi perchè non hanno la sacca polisaccaridica e quindi quando infettano un essere umano vengono uccise dal suo sistema immunitario. Griffith ha scelto un modello sperimentale —> i topi (perché facili da mantenere). Il suo piano sperimentale è stato diviso in quattro parti diverse: 1. Ha preso una soluzioni di batteri S vivi, e l’ha iniettata nei topolini che hanno sviluppato la polmonite e sono morti. Effettuando prelievi di sangue nei topi, ha visto che c’erano batteri S vivi all’interno del sangue dei topi morti. 2. Ha preso una soluzione di batteri R vivi e l’ha iniettata in un altro gruppo di topi che non hanno sviluppato polmonite, quando ha preso il sangue dei topi ha visto che non c’erano batteri R vivi, perché distrutti dal sistema immunitario. 3. Ha preso una soluzione batteri S vivi e l’ha riscaldata uccidendo i batteri S e ha iniettato questa soluzione nei topolini che non hanno sviluppato la polmonite e non sono morti. 4. Ha preso la soluzione con i batteri S uccisi dal calore miscelandola con una soluzione di batteri R vivi, questo mix l’ha iniettato in un quarto gruppo di topolini che hanno sviluppato la polmonite e sono morti. Tramite un prelievo di sangue ha osservato un gruppo di batteri S vivi. Disegno sperimentale dello studio: 1. Osservazione, in vivo, l'inoculazione simultanea di pneumococchi tipo R (non patogeni) vivi e di pneumococchi tipo S (patogeni) uccisi al calore provoca la morte del topo per infezione batterica. In vitro, estratti cellulari grezzi (che contengono diverse sostanze chimiche presenti nelle cellule batteriche) di pneumococchi tipo S, se aggiunti a colture di tipo R, provocano una trasformazione da tipo R a tipo S, permanente ed ereditaria. 2. Definizione del problema, che cosa induce la trasformazione da batteri di tipo R, non capsulati e non patogeni, a batteri di tipo S, capsulati e patogeni? Qual è il "principio attivo, trasformante" o la sostanza inducente di questa mutazione ereditaria? A quale classe di composti chimici appartiene? La sua conclusione è stata che evidentemente esistesse una sostanza, di cui lui non ha mai chiarito la natura, che era presente nei batteri S, resistente al calore, in grado di passare dai batteri S morti ai batteri R vivi, trasformare i batteri R in batteri S e restare permanentemente nei batteri S. Ha chiamato la sostanza “principio trasformante”: Molecola resistente al calore. Capace di entrare per permanentemente in un batterio. Permettere la trasformazione da un ceppo ad un altro. Da qui sono iniziate ricerche su quale fosse il principio trasformante di Griffith (la molecola responsabile). 3. Ipotesi, nei batteri le classi fondamentali sono: Acido desossiribonucleico (DNA). Acido ribonucleico (RNA) Proteine. Polisaccaride. Chi è responsabile della trasformazione? (Inizialmente credevano fosse colpa delle proteine.) All’epoca il DNA era ritenuto banale e con una funzione non definita perché si pensava che fosse solo all’interno del nucleo. Il DNA è formato da quattro elementi diversi (quattro nucleotidi che hanno quattro basi azotate). Gli scienziati sono partiti dal punto 4 di Griffith per attuare la verifica sperimentale, la conclusione e la comunicazione (passaggi del metodo scientifico): Hanno però rotto la membrana plasmatica dei batteri morti e così il contenuto della cellula è uscito ed entrato nella soluzione (estratto cellulare grezzo). Hanno diviso le varie molecole in provette diverse, hanno ottenuto quattro provette (in una solo acidi nucleici, in una solo proteine, in una solo lipidi e in un altra solo polisaccaridi). In ciascuna di queste è stata mischiata soluzione con batteri R vivi. Ognuna delle quattro è stata iniettata nei vari gruppi di topolini e solo uno di questi ha sviluppato la polmonite ed era quello dei batteri R +  acidi nucleici del gruppo S. Il principio trasformante quindi poteva essere gli acidi nucleici del gruppo S. Hanno indagato ancora di più nel dettaglio perché da una parte hanno aggiunto enzimi DNA, dall’altra parte hanno aggiunto enzimi RNA. Gli acidi nucleici sono composti da RNA e DNA. 4. Conclusione, sono stati iniettati in diversi gruppi di topolini e solo il gruppo DNA + batteri R è morto di polmonite. 5. Comunicazione, i ricercatori hanno pubblicato il risultato su una rivista importante in cui dicevano che la natura del principio trasformante era quella del DNA e poteva essere ereditario, quindi passare da una generazione all’altra. Quindi il DNA è la molecola responsabile dell’immagazzinamento dell’informazione genetica. Molti hanno contestato i risultati sostenendo che fossero le proteine a contenere l’informazione genetica. Esempio di studio multidisciplinare: “Studio della correlazione tra specifiche mutazioni nel gene MECP2 e il profilo clinico delle pazienti con sindrome di Rett”. Studio del 2014. Hanno arruolato pazienti affette dalla patologia “sindrome di Rett”. La sindrome di Rett è una patologia genetica: la causa diretta dell’insorgenza è la mutazione di un gene o in pochissimi casi, in mutazione di altri geni (FOXG1, ad esempio). È neurodegenerativa e i sintomi clinici sono eterogenei, cioè la gravità dei sintomi, come evolvono ecc… variano da paziente a paziente. Si possono descrivere almeno 5 diverse modalità di sviluppo della malattia. Le affette sono donne, il gene che cambia è collocato nel cromosoma X (le donne hanno XX, gli uomini XY). MECP2, è un gene che è essenziale avere affinché il bambino nasca in vita. Quando MECP2 muta in un embrione di sesso maschile, i bambini non nascono vivi perché vengono abortiti naturalmente in utero, ecco perché questa sindrome la hanno solo le donne. La sindrome ha uno sviluppo di quattro fasi, al termine della quarta fase il fenotipo clinico delle pazienti è completo. Se lo stato della paziente è grave, esse non sono più autonome, vivono in sedia a rotelle, nei casi ancora più gravi non parlano e altre hanno gravi crisi epilettiche. Il gene più importante implicato nella insorgenza è MECP2. Lo studio deve stabilire se ci sia una correlazione tra le diverse tipologie di mutazioni in MECP2 e il profilo clinico delle pazienti affette. 2. Definizione del problema, quali sono i fattori responsabili della diversità nelle caratteristiche cliniche (tipo, gravità ed insorgenza)? Esiste uno strumento sufficientemente adeguato a rilevare e misurare i diversi gradi di disabilità delle pazienti con sindrome di Rett? 3. Ipotesi, è colpa delle mutazioni diverse localizzate lungo i vari domini della proteina MECP2 a determinare la gravità nella malattia. Hanno costruito una scala a cui fare affidamento: RARS uno strumento adatto a esprimere la varietà e la severità delle aree sintomatiche delle pazienti.  Come è stata costruita la scala RARS Tanto più è alto, tanto è maggiore il livello di disabilità. Gli indicatori mostrano il tipo di mutazione che è stato trovato, e il suo valore. Nella tabella, le affette, appartenenti alle quattro categorie di mezzo (rosa, verde…) hanno di diverso un solo aminoacido. 4. Verifica sperimentale, 114 pazienti sono state sottoposte alle analisi. Ai caregiver è stato chiesto di rispondere alla scala RARS. Sono stati correlati i risultati ottenuti dalla genetica e dalla scala RARS, compilata dai caregiver (parte biologica + parte psicologica). 5. Conclusione, le mutazioni gravi determinano un fenotipo grave e viceversa. Dal tipo di mutazione quando nasce una bimba affetta dalla sindrome di Rett, guardando questo studio si può capire a che tipo di disabilità andrà incontro nel futuro. 6. Comunicazione scritta. Acidi nucleici: La macromolecola più importante è il DNA, o “materiale genetico”. Tutti gli organismi viventi sono dotati di un progetto formativo-costitutivo, grazie al quale si sviluppa la struttura e l’insieme delle attività metaboliche dell’organismo stesso. Nei retrovirus il materiale costitutivo è invece l’RNA. Quello che una persona è, è la risultante fra il genotipo e l’ambiente, dal momento del concepimento. Il fenotipo: chi siamo esteriormente, e quello che siamo interiormente. Il genotipo: è il DNA, l’insieme delle informazioni genetiche che acquisiamo al concepimento. L’ambiente: tutto che viene a contatto con il feto fin dal momento concepimento, come il cordone ombelicale (droghe, alcool assunto dalla mamma durante la gravidanza influenzano sul feto). Sul fenotipo si può anche influire (ci si tinge i capelli…). Il genotipo di ciascuno è unico e irripetibile, a parte per i gemelli omozigoti. I gemelli omozigoti sono stati concepiti con un oocita e un omozigote, successivamente si sviluppano due embrioni ma hanno lo stesso patrimonio genetico. I gemelli eterozigoti non hanno lo stesso genotipo. Il DNA: Non c’è dubbio alcuno quando si riconduce una persona al suo DNA perché la traccia genetica è una sola e unica. Il DNA è molto lungo e sino al 1940 gli scienziati rifiutavano la possibilità che il DNA potesse portare l’informazione genetica (da dopo l’esperimento di Griffith no). I nucleotidi sono disposti in una sequenza irregolare ma non casuale, stanno nella sequenza perché hanno un significato di codifica preciso. Ciascuna molecola di DNA è compattata in un cromosoma e l’insieme dei cromosomi costituisce il genoma umano. I nucleotidi non sono disposti in modo casuale ma causale, cioè hanno un significato ben preciso, infatti formano il codice genetico. Cromosomi: Ciascuna molecola di DNA viene compattata nei cromosomi (nelle cellule umane). Elemento fondamentale del cromosoma è l’elica del DNA, formata da nucleotidi. I cromosomi costituiscono il genoma (insieme dei cromosomi della specie) dell’organismo vivente. All’interno del nucleo del genoma umano ci sono circa tre miliardi (3x10 alla 9) di coppie di nucleotidi, presenti in 46 cromosomi lineari. I batteri hanno cromosomi circolari (il genoma umano non ha cromosomi circolari, ma lineari). Non è vero che quanto più materiale genetico si trova nelle cellule (o in una cellula nel caso dei batteri), tanto più evoluto è l’organismo. Infatti, alcuni tipi di anfibi contengono più DNA dell’essere umano, anche se non sono più evoluti di noi. Dal punto di vista biochimico per quanto riguarda gli acidi nucleici abbiamo: Il DNA (acido desossiribonucleico), per la maggior parte degli organismi viventi. L’RNA, materiale genetico per alcuni retrovirus. Essi sono polimeri lineari di nucleotidi (in alcuni casi sono circolari, vedi sopra). Struttura generale dei nucleotidi: Composti da tre parti: 1. Fosfato (P). 2. Zucchero (desossiribosio, nel DNA, ribosio nell’RNA). 3. Base purinica o pirimidinica, che sono in tutto 4 (base azotata). Tutti i nucleotidi sono composti da queste tre parti. Il fosfato e lo zucchero non variano mai nel DNA, in tutti i nucleotidi, ma quella che può variare è la base (importante). Le principali basi puriniche e pirimidiniche del DNA e dell’RNA: Le basi (terzo elemento di prima), si distinguono in: Puriniche, hanno un ingombro sterico maggiore. Ingombro sterico = sono più grosse e si espandono di più. Pirimidiniche. Nel DNA troviamo in più la timina e nell’RNA l’uracile (le uniche che cambiano). Le altre rimangono uguali (adenina, guanina, citosina). Nucleotidi purinici e pirimidinici: Capiamo che questa sia un’emielica di DNA perché c’è la timina. Ci sono quattro nucleotidi. Questa è la parte del fosfato e dello zucchero (uguale per tutti), la parte che varia sono le basi. Adenina e Guanina sono le basi puriniche (ingombro sterico maggiore). Le emieliche del DNA sono direzionali (iniziano con il 5’ fosfato, deciso dai ricercatori convenzionalmente e terminano con 3’ OH: 5’ —> 3’). L’emieliche sono anti parallele ma complementari. Ci sono degli enzimi che conoscono la struttura biochimica e lavorano in quella direzione (per questo che i ricercatori iniziano con il 5’). In figura è rappresentata un’emielica del DNA e un filamento singolo dell’RNA. Dato che quest’ultimi sono a filamento singolo quindi in figura è completo, mentre per il DNA no (hanno due emieliche🧬 ). Le differenze dal punto di vista biochimico tra DNA e RNA: (importante) Zucchero: ribosio (RNA) e desossiribosio (DNA). Basi azotate: uracile (RNA) e timina (DNA). Nell’RNA abbiamo sempre singoli filamenti, nel DNA due. Il DNA e l’RNA sono formati da desossiribonucleotidi o ribonucleotidi, uniti fra loro da un legame fosfodiesterico e di tipo covalente. Di tipo covalente —> è un legame chimico forte, per spezzarlo serve tanta energia. I nucleotidi sono legati tutti nell’emieliche, questo perché il messaggio (il patrimonio genetico) sta tra un nucleotide e l’altro, quindi è fondamentale tra un nucleotide e l’altro che il legame biochimico sia molto forte. Le funzioni del DNA e RNA nelle cellule umane: Classi di molecole di DNA: DNA nucleare, perché la maggior parte delle informazioni è contenuta nel nucleo (46 cromosomi). DNA mitocondriale, perché nelle cellule ci sono vari organuli, tra cui i mitocondri (che contengono  l’energia) e contengono una macromolecola di DNA che è circolare e ricorda quella dei batteri. Il messaggio contenuto nel DNA sta però per la gran parte nel nucleo (DNA nucleare). Classi di molecole di RNA: RNA citoplasmatico, perchè viene sintetizzato nel nucleo ma sta nel citoplasma. Ci sono tre macro categorie: 1. RNA messaggero (mRNA). 2. RNA transfer (tRNA). 3. RNA ribosomiale (rRNA). Svolgono la loro funzione della traduzione e questo avviene a livello citoplasmatico. Il dogma centrale della biologia: L’informazione genetica è contenuta nel DNA che viene trascritto in molecole di RNA (tutti e tre i tipi di RNA). Tramite la traduzione, l’informazione contenuta nell’RNA viene tradotta in proteine. Il flusso dell’informazione è irreversibile e a senso unico (il processo avviene solo come in figura). Oggi questa informazione deve essere corretta perché è stato ampliato il dogma, con la scoperta dei retrovirus. Le funzioni principali del DNA: Replicazione, che ha lo scopo di mantenere intatta l’informazione contenuta nelle cellule: se la cellula si deve dividere non può dividere anche il DNA, il patrimonio genetico non si può scomporre. Nelle nostre cellule il DNA è uguale identico, durante tutta la nostra vita. Questo avviene grazie al processo di replicazione. Il patrimonio genetico è come se venisse fotocopiato e diviso nelle cellule figlie (processo di mitosi e meiosi).  Trascrizione, così l’informazione diventa qualcosa di reale, concreto e non rimane semplice informazione. L’informazione è trascritta e poi avviene la traduzione. Vengono trascritti pacchetti di informazione, mai tutta l’informazione intera, solo quello che ci serve (e questo dipende dalla fase di vita, alcuni geni si accendono nelle prime settimane di vita e poi mai più, ad esempio). Tutte le nostre cellule contengono l’informazione totale, ma durante le fasi di differenziamento, alcuni geni vengono spenti e mai più accesi. Nel nucleo abbiamo qualsiasi tipo di informazioni ma vengono espresse in una determinata fase di vita e in base al tipo di cellula. Infatti l’informazione contenuta in ciascuna cellula può dare origine ad un intero organismo vivente. Le proteine: (Importante) Le proteine sono artefici della costruzione di molte strutture del nostro organismo. Sebbene il genoma umano contenga abbastanza DNA da codificare quasi 3.000.000 di proteine, in realtà è stato stimato che in esso siano presenti solo circa 22.000 sequenze codificanti proteine. Quindi un’importante quantità di materiale genetico non è codificante —> tutto il resto del DNA serve a proteggere i nucleotidi contenuti all’interno (esempio della stringa dei lacci), che hanno una funzione invece codificante, e quindi di produrre proteine. I telomeri proteggono i nucleotidi codificanti e iniziano dopo il 5’ e finiscono prima del 3’. Il centròmero è il punto di attacco delle fibre del fuso, quando una cellula si deve dividere, questi cromosomi si agganciano alle fibre del fuso e quindi i processi di mitosi o meiosi possono avvenire correttamente. = una parte del DNA ha un ruolo strutturale importante (come i telomeri), una parte serve alla produzione dell’RNA e regola la produzione dei geni. DNA: a) Complementarietà delle basi puriniche e pirimidiniche. b) Struttura della doppia elica del DNA. c) Cromatina/cromosomi. d) Dimostrazione che il DNA è il materiale genetico ereditario (già fatta con Griffith). e) Replicazione del DNA. f) Trascrizione del DNA. g) Il codice genetico. h) Mutazioni a carico del DNA. a) Complementarietà delle basi puriniche e pirimidiniche (adenina - timina…): La parte rossa del disegno: sono il fosfato e lo zucchero e dentro (A, T..) sono le basi. Quando c’è la citosina dall’altra parte c’è la guanina (così adenina e timina) perché le basi del DNA sono accoppiate fedelmente. Non si troverà mai l’adenina con la citosina. E così per tutti gli organismi viventi. Se noi conosciamo il messaggio dell’emielica del DNA sappiamo individuare quale sia il messaggio contenuto della seconda emielica, perché il messaggio è complementare. Tra un’emielica e l’altra ci sono dei legami (tra la A e la T…). Sono legami ad idrogeno deboli che tengono unite le due emieliche ma non è così complesso spezzarli dato che sono deboli. I legami vengono spezzati temporaneamente durante la replicazione e durante la trascrizione. A destra c’è la rappresentazione di una doppia elica, sono anti parallele: 5’—> 3’, 3’ prima il DNA si replica (S) e poi la cellula si divide (M). La replicazione del DNA avviene secondo un meccanismo “semi-conservativo”: ciascuna molecola si replica perché la cellula si deve dividere e ne abbiamo due perfettamente identiche al termine del processo. Semi conservativo: le due emieliche del DNA si dividono e ciascuna serve per la sintesi di una emielica nuova, serve da stampo per una emielica nuova. Ciascuna è formata da una emielica parentale e da una emielica di sintesi. La prova del meccanismo semi-conservativo si basa sull’esperimento di Meselson e Stahl (1958): Hanno preso dei batteri e li hanno fatti crescere con delle sostanze in cui era presente l’isotopo dell’azoto (che è più pesante dell’azoto). Per molto tempo hanno coltivato i batteri con l’azoto pesante e poi hanno diviso la beuta (con il brodo batterico) in due parti: da una beuta hanno ucciso i batteri e hanno estratto il loro DNA. Poi hanno preparato una provetta (in figura la parte azzurra), e hanno creato un gradiente di concentrazione. Nella provetta hanno messo il DNA estratto, poi dentro una centrifuga (così da stratificarlo) e lo hanno posto nello stesso punto del gradiente (se è pesante si stratifica in basso). Il DNA del batterio andava in basso, ma era teso. (A) Hanno poi lavato il terreno di coltura e sostituito con un terreno con l’azoto isotopo normale (non pesante come prima), hanno fatto crescere i batteri solo per 30 minuti (i batteri nelle condizioni ottimali, a 37 gradi, in mezz’ora si replicano una volta, quindi si dividono in due). Da questa beuta dopo 30 minuti hanno estratto il DNA dei batteri, ma non si è posizionato in basso, bensì ad altezza intermedia, quindi era meno pesante. (B) I batteri sono stati coltivati altri 30 min con l’isotopo leggero (normale) e gli è stata data la possibilità di replicarsi ancora, hanno estratto tutto il DNA, hanno ripetuto l’esperimento e hanno visto che dopo la centrifugazione si sono formate due bande, una ad altezza intermedia ed una banda molto alta, quindi un DNA molto leggero. (C) I risultati si interpretano così: Nella parte (A) il DNA è pesante perché per tante generazioni si ha dato l’isotopo pesante. L’altra metà di batteri vivi che è stata coltivata con l’isotopo leggero ma sono stati lasciati lì solo mezz’ora (una replicazione sola del batterio), ha un peso intermedio il DNA perché una sua emielica è pesante, e quella di neosintesi è leggera. Fase (C) metà molecole rosse (leggere) e metà ibride. (Domanda esame) Se non si fossero fermati e avessero fatto una fase d)? Replicazione del DNA: È di tipo semi conservativo. Nelle cellule umane avviene tramite le forcelle di replicazione (o bolle di replicazione), che si formano lungo la lunghezza dei cromosomi e si attivano contemporaneamente quando la cellula si deve duplicare. Le forcelle lavorano indipendentemente ma contemporaneamente. In alto nella foto, vediamo la doppia elica del DNA semplificata (ci sono i ponti ad idrogeno che tengono unite le due emieliche). Le forcelle si attivano quando la cellula deve replicare il suo DNA, in diversi punti sul cromosoma si allontanano le emieliche per un piccolo tratto, formando queste strutture circolari (bolle di replicazione), che all’inizio sono molto piccole, ma (terza riga del disegno) poi si posizionano degli enzimi che stanno sintetizzando dei piccoli tratti di DNA di neo sintesi (frecce rosse, nelle bolle è la sintesi del nuovo materiale). Le frecce bianche indicano che dalla parte destra e dalla parte sinistra si apriranno le bolle e diventeranno grandi. Al loro interno si sintetizzeranno le due emieliche di DNA. Dopo l’ultima freccia si hanno due filamenti di DNA, identici e costituiti da una emielica parentale e una di neo sintesi. Nella foto è rappresentata metà forcella (perché tanto l’altra è simmetrica). L’enzima verde triangolare (DNA elicasi) rompe i ponti ad idrogeno, così entrano altre proteine che lavorano all’interno. Ora intervengono altre proteine (quelle arancioni) che legano il DNA al singolo filamento e si posizionano nella parte esterna dell’emielica e bloccano il filamento del DNA, fanno in modo che le emieliche rimangano separate. Man mano che la DNA elicasi procede, nel DNA a destra si crea una tensione torsionale notevole (il super avvolgimento del DNA diventa molto forte e così la tensione per il lavoro dell’elicasi). Il DNA topoisomerasi: sono enzimi e come se fossero delle forbici molecolari tagliano il punto in cui sono posizionate (a destra rispetto alla elicasi) e quindi il DNA si srotola e la tensione scende, immediatamente dopo lo ricuciono perfettamente. Nel DNA polimerasi è rappresentato un enzima complesso, che polimerizza i nucleotidi, operando da 5’ a 3’. La DNA polimerasi (nella parte bassa della foto) sta polimerizzando un tratto di DNA a partire dalla riga blu dei nucleotidi. Come sceglie i nucleotidi (da attaccare al primer innesco) per costituire l’emielica? Riconosce il messaggio contenuto nell’emielica parentale, sceglie i nucleotidi complementari alla sequenza stampo. La DNA polimerasi si posiziona all’inizio e va verso il 3’ in modo continuo, legge i nucleotidi che stanno nell’emielica sopra, e lì polimerizza. La DNA polimerasi deve leggere un filamento, che nella direzione non è favorevole (la direzione favorevole è 5’ —> 3’). La direzione dell’elicasi va da sinistra a destra ma la DNA polimerasi va da destra a sinistra. La DNA polimerasi sa agire solo in una direzione, leggendo il messaggio contenuto nel DNA. La DNA polimerasi si stacca dal punto in cui è, e va vicino alla elicasi che non è più lì, nel tempo va avanti, ha aperto più strada e così via. La DNA polimerasi compie un pezzo, dopo che si disallinea torna vicino all’elicasi. Il boomerang azzurro è la primasi, che depolimerizza i primer (gli inneschi blu). Si formano però dei buchi, la DNA polimerasi li riempie con i nucleotidi fino al filamento vicino.  Queste nella tabella sono tutte le componenti fondamentali. Differenza tra DNA e gene: Dal punto di vista chimico non c’è differenza. Il DNA “detto così”non sappiamo se sia un gene (un frammento) o un intero cromosoma. Il gene: è la minima sequenza di DNA in grado di codificare per un prodotto proteico (peptide o polipetide, dire solo proteina è troppo generico). Il gene è una pillola di informazione. Topografia di un gene umano: È una sequenza di nucleotidi. All’inizio vi è il promotore: nucleotidi a cui si legano dei fattori di trascrizione (proteine nucleari che attivano l’espressione di un gene in maniera positiva o negativa). L’espressione dei geni è qualcosa di molto complesso. In casi rarissimi la mutazione è nel promotore. Poi iniziano delle sequenze esoni - introni - esoni. ATG: tutti i geni umani iniziano con questi nucleotidi e codificano per un altro aminoacido. Sono nucleotidi che verranno tradotti in proteina, sono la parte codificante. Gli introni vengono eliminati subito, gli esoni no. La parte codificante vera e propria è l’insieme degli esoni. Gli introni creano più proteine. Ci sono geni che sono privi di introni. L’espressione dei geni: In che modo l’informazione contenuta nel DNA è in rapporto con la struttura delle proteine? (Come si passa dal genotipo al fenotipo). Si passa così alla trascrizione del DNA. f) La trascrizione del DNA: L’RNA messaggero contiene le informazioni per la sintesi della proteine. Per poter essere usata nella sintesi di proteine, la sequenza di informazioni di DNA è trascritta in RNA. Esistono 3 diversi tipi di RNA (m-RNA, t-RNA e r-RNA), ma soltanto l’m-RNA è tradotto in una sequenza proteica. Al centro della foto c’è un gene, quindi non tutto il DNA viene trascritto (la trascrizione avviene dei singoli geni), non come per la replicazione. Solo un pezzo del DNA viene trascritto (dove le emieliche sono state separate). Il DNA trascritto è in blu. La DNA polimerasi non necessita del primer innesco. Questo filamento di RNA è complementare e verrà immagazzinato nel nucleo. La trascrizione avviene in maniera asimmetrica. Filamento senso = filamento di DNA che funziona da stampo per la trascrizione. Filamento antisenso = filamento di DNA che consente la trasmissione ereditaria dell’informazione. Come viene trascritto in molecole di RNA (rRNA, mRNA…), la trascrizione è un evento che riguarda una parte di informazione delle nostre cellule. g) Il codice genetico: Gli RNA messaggeri vengono sintetizzati nel nucleo, l’informazione trascritta passa dal nucleo al citoplasma quando maturano, lì può essere tradotta in proteina grazie all’rRNA e al tRNA. I ribosomi: contengono sia una parte di acidi nucleici, sia una parte di proteine specifiche: da qui si forma un ribosoma che viene utilizzato dalla cellula per far avvenire la traduzione. Se passiamo dal DNA all’RNA abbiamo una sequenza di nucleotidi (DNA —> RNA). Quando parliamo di proteine parliamo di una sequenza di aminoacidi (che sono diversi rispetto ai nucleotidi). Traduzione: traduce un messaggio che consiste in una sequenza di nucleotidi in un messaggio che  è costituito da una serie di aminoacidi. Si passa dai nucleotidi agli aminoacidi= traduzione dai nucleotidi agli aminoacidi. La traduzione porta alla conversione di una proteina, a partire dalla sequenza di un RNA messaggero (mRNA) grazie all’aiuto del rRNA e del tRNA. Nella traduzione c’è un codice di traduzione dal punto di vista biochimico, ed è il codice genetico che traduce da un messaggio di nucleotidi ad un messaggio di aminoacidi. Ci sono varie triplette di nucleotidi in successione perché il codice genetico è a tre lettere (tre nucleotidi) a lato delle lettere si trova un aminoacido (leu=leucina), per ciascun aminoacido c’è un codone che codifica l’aminoacido. Gli aminoacidi sono in totale 20. Ogni aminoacido durante la traduzione è codificato da una sequenza di tre nucleotidi (vedi tabella). Alcuni aminoacidi sono codificati da diverse triplette. La metionina (met) è un aminoacido codificato da un singolo codone, è univoca, per alcuni ci sono due codoni, mentre per altri quattro. Il codice genetico è univoco ma ridondante (per codificare l’arginina CGU, CGC, CGA… ma questi codificano solo l’arginina, non altri aminoacidi) ma non c’è mai promiscuità. (nella tabella, in rosso) UAA, UAG, UGA: ci sono tre codoni che non codificano per nessun aminoacido, ma l’informazione che portano è “stop codon”, quindi l’informazione è che la proteina è finita. Infatti la traduzione in quel punto si interrompe. Abbiamo 4 nucleotidi e se si avesse associato ad ogni nucleotide un aminoacido, avremmo avuto 4 aminoacidi ma i nostri aminoacidi sono 20, quindi ogni aminoacido è codificato dalla sequenza di 3 basi, ossia un codone. Se utilizziamo tre nucleotidi in successione facendo tutte le possibili combinazioni, abbiamo 64 diverse combinazioni (che sono quelle della tabella precedente). Ma gli aminoacidi continuano ad essere 20, quindi abbiamo combinazioni in eccesso, infatti le cellule non usano una sola combinazione, ma alcuni aminoacidi sono codificati da più triplette ecco perché si dice che il codice è ridondante. (Slide 45 importante) Il codice genetico è quasi universale (ad eccezione per i geni mitocondriali). Il codice genetico è quasi universale per tutti gli esseri viventi (anche per i batteri), seguono tutti lo stesso procedimento. Il codice è degenerato o ridondante per alcuni aminoacidi (vedi sopra). Il codice genetico è senza interruzioni, non si saltano nucleotidi: Triplette d’inizio AUG: metionina Triplette di termine: UAA UAG UGA, qui la proteina è finita. I ribosomi: I ribosomi servono per la traduzione e sono capaci di polimerizzare sequenzialmente gli aminoacidi. Sono complessi macromolecolari formati da: rRNA. Molte proteine (proteine ribosomali). I ribosomi sono formati da due subunità: una maggiore (più pesante) e una minore (non ricordarsi i numeri), che lavorano insieme. Ciascuna subunità contiene differenti RNA e molte proteine (proteine ribosomali) che si assemblano spontaneamente per formare il ribosoma completo. Gli RNA vengono sintetizzati in una regione del nucleo, detta nucleolo, zona di sintesi molto intensa. Ribosomi negli eucarioti: “S” è l’unità di misura di centrifugazione (ecco perché 60s + 40s = 80s). RNA transfer (tRNA): È una struttura formata da RNA e serve a tradurre il messaggio contenuto nella sequenza dell’RNA messaggero. Infatti in ogni tRNA esiste una sequenza che viene chiamata anti codone che riesce a leggere i codoni (legge il messaggio dell’RNA messaggero). Per ogni tRNA abbiamo un’estremità 5’—> 3’, in quest’ultimo c’è il sito di attacco per uno specifico aminoacido. Nel nucleo viene trascritto il tRNA, che forma delle strutture come a trifoglio (vedi foto). Presenta tre anse, ed è costituto da un singolo filamento di tRNA. L’ansa più importante è quella in basso (in mezzo) che ha l’anti codone. Nel DNA vi è l’informazione per la trascrizione dell’RNA transfer, RNA ribosomiale e RNA messaggero, che migrano nel citoplasma dove avviene la traduzione, la lettura del messaggio contenuto nel RNA messaggero. Tabella riassuntiva: Codone - anticodone: È l’estremità 3’ che lega l’aminoacido. Come avviene la codifica: l’ansa più importante, quella in basso, si lega alla parte gialla, AUG è il codone di inizio che è l’unico che si può appoggiare. Il secondo aminoacido è portato da un RNA messaggero L’ordine seguito è indicato dall’mRNA. tRNA presenti nelle nostre cellule: 64, ciascuno dei quali ha un anticodone diverso (parte gialla). Mutazioni a carico del materiale genetico (DNA): Se cambia un nucleotide nella sequenza del DNA, viene trascritto anche in modo diverso. Si avrà la codifica in un aminoacido diverso, ma non sempre perché ci sono varie triplette. Se la mutazione interviene nel terzo nucleotide può essere che non porti ad un cambiamento di aminoacido, perché il nostro codice è ridondante. Se si verificano dei cambiamenti del materiale genetico, essi vengono trasmessi alla discendenza (cambiamenti ereditari: mutazioni genetiche). Sulla base del tipo di cambiamento che avviene nel materiale genetico le mutazioni possono essere distinte in: Geniche (modificazione di un nucleotide di un gene, non un intero cromosoma, o un pezzo) o puntiformi. Non ha un risvolto positivo perché può portare a malattie genetiche, a volte però sono positive, vedi l’evoluzione. Cromosomiche, abbiamo sempre conseguenze importanti e insorgenza di sindromi, non abbiamo la possibilità di pensare a mutazioni che riguardano i cromosomi, con un impatto positivo. Esempio dell’impatto della mutazione del singolo nucleotide: Una grave forma di anemia, malattia genetica “anemia falciforme”. L’emoglobina ha un ruolo fondamentale sulla respirazione. È una mutazione che avviene nello zigote sul codone 6. Nel codone 6: GAG codifica per il glutammato carico negativamente e quando cambia un nucleotide abbiamo il cambiamento: l’emoglobina presenta un punto idrofobico appiccicoso quindi le catene S si legano fra di loro e formano delle fibre che formano dei fascetti di emoglobina. Questa è una cosa altamente dannosa perché dovrebbero essere singole (l’emoglobina), ma nelle persone malate si legano questi fascetti, aumentando di dimensione, così l’elasticità dei globuli rossi non si mantiene (vedi foto ultima slide) così non sono in grado di trasportare l’ossigeno. Nella prima foto abbiamo un soggetto sano, in quella di sotto un soggetto affetto da anemia falciforme.