Fondamenti Neurobiologici e Genetici PDF

Alessia Palazzo AA 2022/23 BIOLOGIA GENERALE comprensione delle basi biologiche su cui si basano i processi mentali in ambito fisiologico→ funzionamenti corretti in ambito patologico→ qual...

Alessia Palazzo AA 2022/23 BIOLOGIA GENERALE comprensione delle basi biologiche su cui si basano i processi mentali in ambito fisiologico→ funzionamenti corretti in ambito patologico→ qualcosa non funziona correttamente Programma corso: cos’è il metodo scientifico sperimentale→ metodo usato per procedere scientificamente nella conoscenza. caratteristiche salienti degli esseri viventi→cosa caratterizza un vivente rispetto alla materia non vivente le macromolecole→ dna rna e proteine: processi molecolari che le collegano permettono di capire cosa avviene all’interno della cellula cellula, organuli e rispettivo funzionamento la genetica→modalità di trasmissione dei caratteri ereditari geni e comportamento→ mutazioni dei geni o casi in cui se muta un gene si modifica un comportamento umano o variabilità genetica associata ad una predisposizione di insorgenza di malattie il sistema nervoso centrale→ i neuroni, le strutture neuroanatomiche dentro cui lavorano i neuroni essi e come si scambiano messaggi o i neuroni specchio e applicazioni INTRODUZIONE: LEGGI TERMODINAMICHE ED ENERGIA VITALE Tutto ciò che c’è nell’universo è sottoposto a delle leggi: tutto è entropico: 1 legge termodinamica→ legge di conservazione dell’energia: nulla si crea nulla si distrugge, tutto si trasforma 2 legge termodinamica→ l’organizzazione non viene mantenuta a meno che non si utilizzi dell’energia. LO STUDIO DELLA VITA Biologia→ studio scientifico degli esseri viventi, detti organismi. Organismi viventi→ sono dotati di un livello di organizzazione molto elevato: hanno un modo per sfuggire temporaneamente al secondo principio della termodinamica. Caratteristiche: Mantengono la propria organizzazione →organizzazione a livello cellulare e molecolare altissima gli esseri viventi la mantengono per tutta la vita: nelle prime fasi di vita quest’organizzazione aumenta e viene successivamente mantenuta fino a quando dei meccanismi iniziano a perdersi portando alla morte. percepiscono e rispondono ai segnali esterni si riproducono→ attraverso la riproduzione gli organismi viventi fanno si che il loro livello di organizzazione si perpetui nel tempo; dopo la morte di ogni organismo il suo livello di organizzazione permane nel tempo grazie alle generazioni future. sono attraversati da un flusso continuo di energia→ l’energia usata da tali organismi è quella chimica: all’interno delle cellule dei viventi è utilizzata energia dei legami chimici I processi evolutivi hanno generato diversità della vita sulla terra→ evoluzione=tema centrale della biologia. acidi nucleici→ molecole in grado di riprodursi che servono da modello per la sintesi delle proteine; la comparsa rappresenta il passaggio critico dell'evoluzione. La maggior parte degli individui si riproducono e così la specie si mantiene affinché duri nell’habitat terra, un modo per far sopravvivere gli organismi al di là della vita è tramite la riproduzione dei gameti. Questo grazie all’energia che attraversa gli organismi viventi, che consente il metabolismo e quindi lo sviluppo della vita. La cellula è vita, compie un lavoro e si può spostare (anche la più semplice: escherichia coli). Organismi procarioti→ organismi unicellulari e racchiusi in una membrana esterna; organismi nei primi miliardi di vita della cellula. Procarioti → Bacteria →Archaea Organismi eucarioti → organismi nati dai procarioti: alcuni rappresentati di ciascun gruppo hanno iniziato a vivere a stretto contatto tra loro formando questo gruppo. o Oltre alla membrana esterna ne possiedono una interna che racchiude organuli specializzati come il nucleo(contiene materiale genetico) e i mitocondri (forniscono energia alla cellula)  Le cellule vegetali hanno bisogno di energia per funzionare → FOTOSINTESI: permette di trasformare l'energia solare in biologica che alimenta le molecole METABOLISMO ENERGETICO- Divisione degli organismi: ORGANISMI AUTOTROFI→ piante: svolgono la propria funzione di nutrizione in maniera autonoma sintetizzando sostanze organiche e nutrimento da soli. dotati di clorofilla→ una struttura chimica particolare i cui elettroni nell'orbitale esterno una volta colpiti dall’energia luminosa la assorbono allontanandosi dal nucleo: così la catturano al loro interno per utilizzarla nella cellula stessa per creare legami tra molecole di anidride carbonica e di acqua per sintetizzare il glucosio e liberare ossigeno e creare così nutrimento. producono glucosio e ossigeno per gli organismi eterotrofi e per loro stesse grazie al processo fotosintetico partendo da acqua e anidride carbonica ORGANISMI ETEROTROFI→ uomo: non sono in grado di sfruttare l’energia luminosa; introducono l’energia prendendo il cibo: per costruire le sostanze organiche del proprio corpo devono assumere sostanze organiche già elaborate da organismi autotrofi; assumono nutrimento dall’esterno, non possono sintetizzarlo dalle proprie cellule. assumono nutrimento mangiando prodotti organici presenti in piante o animali. utilizzano l'ossigeno prodotto dalle piante e sfruttano l'energia dei legami dei prodotti organici, ottenendo energia (atp) Questo processi formano un ciclo che è da sempre in equilibrio e che permette la vita sulla terra→ è possibile perché gli organismi viventi sanno sfruttare la loro energia per mantenere l'organizzazione, rispondere all’ambiente esterno e riprodursi. NUTRIZIONE UMANA L’introduzione di alimenti è necessaria per disporre di una quantità sufficiente di energia, permette la vita; importante per molteplici cause: LIVELLO ENERGETICO→ il cibo dà energia, è necessario introdurlo per la soddisfazione dei bisogni energetici finalizzati al mantenimento delle strutture dell’organismo LIVELLO STRUTTURALE→ rifornimento dei materiali della crescita e il rinnovamento delle strutture dell’organismo LIVELLO FUNZIONALE→ necessità di elementi nutrizionali che non hanno funzione energetica ma sono essenziali (h2o, vitamine e sali minerali); sono quegli elementi che fanno avvenire il metabolismo cellulare, ossia tutte quelle reazioni che portano a trasformare i composti essenziali per il funzionamento del nostro corpo. o metabolismo→ formato da enzimi che funzionano solo se aiutati da cofattori e coenzimi o vitamine→ aiutano a far avvenire le reazioni in tempi utili Quando noi ci alimentiamo dovremmo prevedere un’alimentazione varia soprattutto da bambini nelle prime fasi di sviluppo o quando una donna è in gravidanza o durante la fase adolescenziale. L’apporto di certi alimenti è fondamentale per un buono sviluppo e per evitare conseguenti malattie. (Ad esempio la carenza di vitamina C, che si trova negli agrumi e non nella carne). Mangiare in un certo modo per l’uomo acquisisce una valenza psicologica e un valore in più. Cellule tessuti e apparati degli organismi pluricellulari si trovano in un ambiente interno formato da fluidi extracellulari → tale ambiente è funzionale all'esigenza della cellula, motivo per cui la sua composizione deve essere mantenuta in condizioni fisiologiche tali che sostengono la sopravvivenza e la funzionalità omeostasi→ mantenimento delle condizioni fisiologiche che consentono la vita della cellula Per l’uomo nutrirsi e fondamentale come per ogni essere vivente ma delle volte vi aggiunge dei significati psicologici come quello di convivialità ma anche valori negativi. IL METODO SCIENTIFICO Il metodo scientifico è il metodo utilizzato per ottenere dati scientifici La scienza da origine a conoscenze caratterizzate da due caratteristiche principali: RIGORE→ uno scienziato deve essere rigoroso: ci vuole precisione nell’eseguire un determinato esperimento per seguire il metodo scientifico, va dichiarato cosa si vuole seguire senza poi discostarvisi OGGETTIVITA’→ seguendo un certo rigore è ciò che ne risulta è oggettivo: l'oggettività è l'osservazione della realtà dei fatti che coincide in vari soggetti e da lo stesso risultato. Movente della ricerca→ curiosità: chi è curioso ricerca, la ricerca è il motore anche della vita: si osservano dei fenomeni e ci si chiede il perché. Esistono diverse aree del sapere umano che usano il metodo scientifico: scienze matematiche→ algebra, geometria scienze fisiche→ fisica, chimica e biologia scienze umane→ psicologia(alcune parti), sociologia Ci sono altri metodi che nella realtà si possono seguire per scoprire aspetti della realtà→ si può arrivare a delle conoscenze con altri metodi. FASI DEL METODO (6): 1. OSSERVAZIONE DI UN FENOMENO→ si osserva in maniera attenta e curiosa ripetute volte senza pregiudizi 2. DEFINIZIONE DI UN PROBLEMA→ ci si chiede cosa determina il fenomeno osservato in tali condizioni, quale sia la causa e che relazione esiste tra lo stimolo x e la risposta y 3. FORMULAZIONE DI IPOTESI DI SOLUZIONE→ si cerca una serie di risposte possibili e logiche alla domanda; possono essere formulate diverse ipotesi che vengono aggiornate, modificate o scartate sulla base di evidenze e dati acquisiti 4. VERIFICA O CONFUTAZIONE DELLE IPOTESI→ possono essere di tipo osservazionale o sperimentale o sperimentale→ serie di esperimenti finalizzati alla verifica dell’ipotesi 5. CONCLUSIONE O PROPOSTA DI TEORIA SCIENTIFICA→ si propone una teoria scientifica: ipotesi di valore predittivo, supportata da diverse verifiche e non ancora confutata da osservazioni contrarie a quanto previsto; non è assoluta, può essere rivista e corretta 6. COMUNICAZIONE DEL RISULTATO→ è il carattere pubblico della scineza; può avvenire in maniera orale o scritta, è il momento di confronto dello scienziato con la comunità scientifica o orale→ tramite convegni o scritta→ tramite pubblicazione su riviste dei dati, delle ipotesi, delle verifiche e dell'eventuale proposta Una volta eseguite tutte le fasi allora si può parlare di scoperta scientifica. ESEMPI DI APPLICAZIONE STUDI DI GRIFFIT → studio sulla natura chimica della sostanza che induce una trasformazione ereditabile in un tipo di pneumococchi Ricerca svolta da Avery, MacLeod e McCarty a partire da risultati di ricerche svolte precedentemente da altri ricercatori. Studi di Griffit→ gli si associa solitamente l'identificazione del materiale genetico come desossiribonucleico ma in realtà sono stati ricercatori dopo di lui; lui aveva scoperto che esiste una sostanza in grado di indurre una trasformazione permanente in alcuni batteri (pneumococchi), senza stabilire la natura di tale sostanza Soggetto esperimento batteri che inducono polmonite nell'uomo, mortale nell'uomo ma non nei topi. Batteri divisi in due gruppi: Batteri tipo II, di ceppo R → non virulenti, sprovvisti di capsula polisaccaridica, infettano il topo ma non lo uccidono (R=rough, rugose data la natura dei batteri che formano su piastra colonie identificabili per il loro aspetto rugoso.) Batteri di tipo III, di ceppo S → virulenti, patogeni, dotati di capsula polisaccaridica (S=smooth ossia lisci, su piastra formano colonie lisce simili a gocce di cera)  1. Griffit osserva che iniettando batteri vivi di ceppo S (virulenti) in un topo questo muore; al contrario iniettando batteri di ceppo R (non virulenti) il topo sopravvive 2. Successivamente Griffit osserva che scaldando la beuta contenente i batteri di tipo S virulenti oltre i 37 gradi, provocandone così la morte, e iniettandoli successivamente nel topo, questo sopravvive. 3. In seguito, prendendo i batteri di ceppo S uccisi col vapore e facendoli crescere tutta notte assieme ai batteri di tipo R vivi, dopo averli iniettati nei topi, quasi tutti sono morti Alla fine dell'esperimento ripetuto varie volte ha pubblicato i suoi risultati→ dimostra che esiste un principio trasformante che può passare da un tipo di ceppo batterico ad un altro cambiandone le caratteristiche. Non ha però definito la natura di questo principio trasformante→ non ha stabilito la natura chimica di questo principio. Avery, MacLeod e McCarty sono partiti da tali risultati e da qui hanno deciso di capire cosa induceva questa trasformazione, cosa passava dal ceppo virulento morto a quello non virulento vivo. Per farlo hanno applicato il metodo scientifico: 1. Osservazione→ osservano I risultati di Griffit e decidono di capire cosa provocasse la morte del topo: partendo dal fatto che inoculando simultaneamente pneumococchi di tipo R vivi e pneumococchi di tipo S uccisi al calore in un topo questo muore, osservano che estraendo degli estratti cellulari grezzi di pneumococchi di tipo S, aggiungendoli a colture di tipo R, questi provocano una mutazione da tipo R a S permanente ed ereditaria. 2. Definizione del problema→ cosa induce la trasformazione dei batteri di tipo R non patogeni a quelli di tipo S virulenti? Qual è il principio trasformante o la sostanza che induce la mutazione? A quale classe di composti chimici appartiene? 3. Ipotesi→ cos'è che induce il cambiamento? a. Un acido desossiribonucleico→DNA? b. Un acido ribonucleico →RNA? c. Una proteina? d. Un polisaccaride? Era necessario verificare quale di queste ipotesi fosse corretta, quale fosse il responsabile di questa trasformazione. 4. Verifica dell'ipotesi →DNA (hanno eseguito lo stesso esperimento per estrarre tutti I singoli componenti dell'ipotesi) o I batteri di tipo S vengono uccisi col vapore, non sono più virulenti o Estrazione del materiale grezzo da questi batteri uccisi o Purificazione del DNA presente in questo estratto→ si ottiene il DNA in forma pura, isolato dalle altre componenti dell'estratto grezzo (proteine, RNA, polisaccaridi…) o I batteri R non virulenti in una beuta con brodo batterico viene aggiunto per tutta la notte il DNA purificato dai batteri di tipo S → si ottengono batteri nuovi, si inoculano nei topi e questi muoiono → sono quindi nati batteri di tipo S virulenti e vivi o Quindi → il DNA estratto da pneumococchi di tipo S e purificato (isolato da altri lipidi, proteine e polisaccaridi), se aggiunto a ceppi di tipo R induce la loro mutazione in batteri di tipo S virulenti. Ciò non avviene se il DNA viene trattato con enzimi idrolitici che depolimerizzano la molecola, scindendola in singoli nucleotidi, che quindi non contengono più l'informazione virulenta. Prima dimostrazione che il principio trasformante è un pezzo di DNA→ nonostante ciò svolgono una controprova  o Beuta con batteri non virulenti uniti a DNA purificato dei batteri di tipo S con aggiunta di un enzima (desossiribonucleasi= enzima che taglia il DNA riducendolo a nucleotidi singoli, ossia le basi che lo costituiscono) o I nuovi batteri vengono inoculati nei topi→ rimangono vivi: il DNA è la molecola informazione, contiene informazioni nella successione dei nucleotidi, motivo per cui una volta scissi I frammenti in singoli nucleotidi questi non contengono più nessuna informazione quindi i batteri R non si sono trasformati in batteri S. o Quindi → il DNA estratto da pneumococchi di tipo S e purificato (isolato da altri lipidi, proteine e polisaccaridi), se aggiunto a ceppi di tipo R induce la loro mutazione in batteri di tipo S virulenti. Ciò non avviene se il DNA viene trattato con enzimi idrolitici che depolimerizzano la molecola, scindendola in singoli nucleotidi, che quindi non contengono più l'informazione virulenta. 5. Conclusione → Dopo aver svolto le varie prove e controprove si conclude che è la molecola di DNA, integra nella sua struttura, a trasformare I pneumococchi R in S virulenti; la trasformazione è permanente ed ereditaria: una volta entrato questo gene nel DNA di un batterio questa non si perde più, I batteri che si formeranno da batteri di tipo S perpetueranno sempre il gene malato nel tempo 6. Pubblicazione → Journal of Experimental Medicine Esempio due LE MUTAZIONI GENICHE E LA SINDROME DI RETT→ studio della correlazione tra specifiche mutazioni nel gene MECP2 e il profilo clinico delle pazienti con sindrome di Rett Fabio RA, Colombo B, Russo S, Colgiati F, Masciandri M, Foglia s, Antonietti A, Tavian D Sindrome di Rett→ disturbo neuro-cognitivo dello sviluppo; si verifica solo nelle ragazze perché il gene MECP2 si trova sul cromosoma X: gli uomini hanno un solo gene MECP2. Nelle ragazze, anche quando questo gene muta, il secondo gene MECP2 produce invece una proteina corretta per ovviare alla malattia dell'altro gene, nei ragazzi invece se il gene è mutato l'embrione non si sviluppa nemmeno, avverrà un aborto spontaneo. Il dottor Antonietti voleva sviluppare una nuova scala psicologia per le ragazze con questa sindrome→ venivano usati test non adatti, non c'erano strumenti specifici per definire correttamente il loro profilo psicologico. Si poteva notare che le ragazze con questa patologia hanno spesso profili clinici diversi→ voleva capire se esistesse una correlazione tra i vari profili. 1. Osservazione→ La patologia è dovuta alla mutazione del gene MECP2; nel 95% dei casi è dovuta a questa mutazione ma nel 5% è causata da mutazioni di altri due geni CDKL5 e FOXG1. Dal punto di vista clinico la sindrome di Rett è eterogenea→ si possono descrivere almeno 5 diverse modalità di presentazione clinica 2. Definizione del problema→ quali sono i fattori responsabili delle diverse caratteristiche cliniche della stessa mutazione? Esiste uno strumento adeguato a definire e misurare I diversi gradi di disabilità neurocognitiva di queste pazienti? 3. Ipotesi IPOTESI GENETICA → La genetica può in parte spiegare la diversità? La sequenza del gene è molto lunga, ciò potrebbe determinare diverse mutazioni localizzate lungo i vari domini della proteina? IPOTESI PSICOLOGICA→ viene costruita la RARS, uno strumento adatto per misurare il profilo neuro- cognitivo di ragazze affette da questa patologia. E’ davvero adeguata per misurare l’infermità cognitiva delle pazienti? 4. Verifica sperimentale→ analisi genetica di 114 pazienti italiane Analisi genetica→ identificazione delle diversi mutazioni del gene in ogni ragazza Valutazione del profilo neuro-cognitivo delle pazienti mediante RARS, applicando questa scala non alle pazienti ma ai cargivers, ai parenti accompagnatori Correlazione genotipo-fenotipo clinico→ correlazione tra dati ottenuti dalla genetica e quelli ottenuti dal profilo psicologico. La verifica sperimentale è durata 1 anno e mezzo A ciascun argomento della RARS sono associate domande e valori→ alla fine del test si ottiene un valore numerico che è associato a delle categorie. La scala determina la difficoltà nelle varie aree di percezione (visiva, uditiva ecc..), attenzione, orientamento spaziale, memoria, contatto visivo, abilità verbali (molte di loro perdono nei primi anni di vita la capacità di parlare), ansia. I genitori rispondono con un punteggio da 1 a 5 riferito alle singole aree (alle varie difficoltà) e uno totale. Dalla Rars totale si può vedere che il punteggio totale si collega con un giudizio che riguarda la genetica→ tale giudizio dipende dal tipo di mutazione che si osserva: o alcune mutazione per esempio fanno sì che la proteina venga prodotta solo in parte (proteina tronca) = mutazione severa o Altre mutazioni provocano il cambiamento di un amminoacido all'interno di una proteina→ mutazione moderata o mild ma cambia sempre in base a dove si trova la mutazione e quale punto della protezione sta andando a cambiare 5. Conclusione→ C'è una stretta correlazione tra aspetto genetico e valore della RARS: c'è una correlazione genotipo-fenotipo (tra DNA e le caratteristiche cliniche) per la sindrome di Rett; mutazioni diverse del gene MECP2 scaturiscono livelli di gravità della sindrome, in particolare mutazioni troncanti determinano un fenotipo clinico più grave. Inoltre le riguardo alle mutazioni missenso più frequenti, nella popolazione italiana le pazienti presentano un profilo specifico di disabilità nelle diverse sub scale 6. Comunicazione scritta → “Recent insights into genotype-phenotype relationships in patients with Rett syndrome using a fine gain scale” GLI ACIDI NUCLEICI Dna, RNA e proteine DNA→ macromolecola per eccellenza: contiene tutte le informazioni. Ciascun essere vivente riesce a realizzarsi morfologicamente e a svolgere le sue funzioni grazie a un progetto costitutivo-formativo contenuto nel materiale genetico: DNA (cromosomi) questo progetto formativo-costitutivo è scritto nel materiale genetico→ per noi uomini è il DNA come per la maggior parte degli esseri viventi Retrovirus→ piccola percentuale di organismi viventi il cui materiale informativo è una molecola di RNA Virus→ non hanno un metabolismo proprio, esistono solo perché riescono a infettare altre cellule e sfruttano il loro metabolismo per compiere il loro ciclo vitale, autonomamente non sarebbero in grado; non hanno un'esistenza autonoma da altri organismi, vegetali o animali. MACROMOLECOLE→ proteine, acidi nucleici, DNA/RNA sono state le prime molecole che si sono formate. Il DNA contiene le informazioni relative al nostro sviluppo. Il progetto formativo genetico è manifesto sin dalla fecondazione prima della nascita e comincia l’espressione dei nostri geni→ Il DNA è la macromolecola che contiene la nostra formazione genetica per la costruzione del materiale dell’organismo vivente, non tutte le nostre cellule esprimono gli stessi geni ma tutte contengono DNA. FENOTIPO E GENOTIPO FENOTIPO→ → quello che l'organismo vivente è, la sua apparenza fisica; è la risultante due importanti dimensioni: 1-Il progetto originale contenuto nel DNA (genotipo) 2-Ambiente dove l'organismo vivente si sviluppa, vive invecchia, ma anche l’ambiente di sviluppo dell’embrione. Alcune caratteristiche del genotipo possono essere cambiate (colore capelli) GENOTIPO→ → materiale formativo, informazionale che dà origine all'organismo vivente stesso; è la combinazione dei nostri geni -una parte di genotipo rimane può rimanere nascosta→ parte dell'informazione può essere presente ma rimane nascosta perché non domina (allele recessivo) AMBIENTE→ luogo in cui l'organismo vivente nasce e si sviluppa Tanto più l'organismo è evoluto tanto più è importante la componente dell'ambiente perché ciò che l'organismo è dipende anche in gran parte dall'ambiente in cui esso si è trovato a vivere, a partire dal momento in cui è stato concepito perché è lì che ciascun organismo inizia a svilupparsi. IL DNA Polimero lineare, non ramificato e molto lungo (anche i cromosomi più corti sono costituiti da migliaia di nucleotidi) In ciascuna cellula abbiamo 46 molecole di DNA → 23 coppie di cromosomi, molecole lineari formate da mattoni di base chiamati nucleotidi Fino al 1940 gli scienziati non lo consideravano come portatore di informazione perché vedevano sequenze di 4 nucleotidi ripetute ma non riuscivano ad attribuirgli un significato particolare, pensavano che le molecole informazionali fossero le proteine→ grazie agli esperimenti di Griffit e successivi scienziati è stato dimostrato che è il DNA a contenere informazioni e ad essere responsabile della trasmissione IL DNA contiene l’informazione genetica, infatti qualunque organismo è unico in quanto le informazioni genetiche sono diverse, sono comuni in quanto determinano la specie ma si differenziano sempre per dei dettagli unici e irripetibili. I fenotipi sono molto diversi in quanto le varianti alleliche sono differenti. Il genotipo di ciascuna persona è differente da un'altra persona. Perché è il DNA a contenere l'informazione? I nucleotidi sono disposti in sequenza irregolare e causale→ le sequenze di nucleotidi contengono un significato prezioso per la sintesi delle proteine. Una volta capito che il DNA era responsabile della trasmissione di informazione i successivi scienziati hanno cercato di capire il codice genetico→ decifrare il messaggio contenuto nel DNA, capire le informazioni portate dai nucleotidi NUCLEOTIDI→ hanno una sequenza che contiene un significato prezioso per la sintesi delle proteine. Le lunghe sequenze di nucleotidi si organizzano nelle nostre cellule a formare dei CROMOSOMI. L'informazione genetica totale, ossia contenuta in tutti i cromosomi presenti nel nucleo delle nostre cellule (46 per ogni cellula nel DNA umano) viene definita GENOMA. L'insieme dei cromosomi di un organismo vivente determina quindi il genoma di una precisa specie. batteri → specie semplice, procariote e unicellulare: ogni batterio ha una molecola circolare di DNA, nel E- Coli per esempio ciascuna di queste molecole contiene 4 milioni e mezzo di nucleotidi umani→ in ciascuna molecola umana di DNA ci sono circa 3 miliardi di nucleotidi in ciascuna cellula umana Si nota una correlazione tra la qualità e la quantità di materiale genetico→ maggiore il materiale genetico maggiore sarà il livello evolutivo. la quantità maggiore di DNA nel genoma non sempre però è in relazione con la complessità dell'organismo: alcuni tipi di pianta o anche alcuni anfibi per esempio, contengono una quantità maggiore di DNA rispetto alle cellule umane, eppure non sono specie più evolute Tutte le cellule somatiche (tranne i globuli rossi) hanno il nucleo, e hanno lo stesso materiale ereditario che viene dai genitori quando si forma lo zigote (metà viene da nostro padre: spermatozoo, metà da nostra madre: oocita); quel patrimonio genetico sarà presente in ciascuna delle nostre cellule del nostro corpo, infatti le cellule somatiche derivano da un processo di mitosi, che è un processo conservativo. Ci possono essere delle piccole variazioni, dovute a delle mutazioni avvenute durante alle replicazioni. Tutte le cellule hanno lo stesso DNA ma possono differire nella struttura in base alle funzioni che devono svolgere: in base al differenziamento che una cellula fa esprimono in modo differente le loro informazioni (ad esempio un neurone): ESPRESSIONE GENICA→ cambia in base alle diverse le cellule CONTENUTO/MATERIALE GENETICO O GENOMA→ resta sempre uguale per tutte le cellule. Ciascuno di noi però è genotipicamente unico, il genotipo riconduce solo a quella persona ad eccezione dei gemelli omozigoti perché derivano dallo stesso oocita e dello stesso spermatozoo (materiale genetico quasi del tutto uguale) Il DNA e l’RNA sono lunghe catene di polinucleotidi legati da legami fosfodiesterici, sono entrambi polimeri lineari di nucleotidi. DNA RNA Acido desossiribonucleico Acido ribonucleico Zucchero: desossiribosio Zucchero:ribosio Per la maggior parte degli organismi vivente l'informazione è Per alcuni retrovirus l'informazione è contenuta contenuta in molecole di DNA nelle molecole di RNA In entrambi i casi parliamo di molecole formate da catene di nucleotidi STRUTTURA DI UN NUCLEOTIDE Dal punto di vista chimico riconosciamo 3 parti distinte: 1. GRUPPO FOSFATO (sinistra) → fosforo(P) al centro e tutti gli atomi di ossigeno legati a esso 2. ZUCCHERO (centro)→ la struttura pentagonale, nel caso di DNA è desossiribosio, nell’ RNA abbiamo il Ribosio Sia il Ribosio che il desossiribosio hanno struttura identica (5 atomi di carbonio) ad eccezione della presenza o assenza di un OH (gruppo ossidrilico) in posizione 2' dell'anello dello zucchero DNA → assenza di OH (infatti disossi, ossia senza) RNA → presenza di OH 3. UNA DELLE QUATTRO BASI(destra)→ base purinica o pirimidinica NUCLEOTIDE→ parte completa dell'elemento che costituisce il DNA/RNA: formato da fosfato, ribosio e base azotata. LE BASI AZOTATE Sono la parte più importante del DNA: sono loro a variare nei nucleotidi, il resto rimane uguale in tutti i nucleotidi perché tutti hanno sia fosfato che zucchero in ogni caso, mentre la base cambia BASI PURINE→ ADENINA E GUANINA: hanno un ingombro sterico maggiore, occupano uno spazio maggiore. BASI PIRIMIDINE→CITOSINA E TIMINA: ingombro spaziale minore L'ultima pirimidinica è l'unica a variare tra DNA e RNA (URACILE) Tra una base e l'altra esistono legami detti "ponti ad idrogeno" → tengono unite le due emieliche ma possono essere scissi affinché questi si separino per far avvenire la replicazione e la trascrizione del DNA Adenina e Guanina → basi puriniche: occupano più spazio perché sono formate da due anelli, rispetto alle pirimidine formate da un unico anello esagonale. In questa emielica di DNA riconosciamo 4 nucleotidi→ polimeri legati l'uno all'altro attraverso un legame covalente (legame fosfodiesterico) LEGAME FOSFODIETSERICO → si forma tra il gruppo 5' fosfato di un nucleotide e il gruppo 3' OH del secondo nucleotide È un legame covalente forte→ non va mai spezzato, se i nucleotidi vengono separati l'informazione viene persa e il messaggio viene interrotto. Il DNA si dice abbia una direzionalità chimica → l’emielica si legge a partire dall'estremità 5' fosfato del primo nucleotide e finisce all'estremità 3' OH dell'ultimo. Il secondo filamento sarà complementare per le basi e antiparallelo → inizierà al contrario col 3' OH e finirà col 5' Fosfato DNA e RNA hanno differenze biochimiche e strutturali Differenze biochimiche: Basi azotate→ nel DNA c'è la TIMINA mentre nell'RNA l’URACILE Zucchero → desossiribosio e ribosio Differenze strutturali: DNA → polimeri lineari di nucleotidi molto lunghe composte anche da milioni di nucleotidi; è formato da due filamenti. RNA → catene altrettanto lunghe ma mai raggiungono il milione, è un unico filamento più corto. I legami fosfodiesterici sono presenti in entrambi → anche la molecola di RNA se rotta in un punto non porta più informazione. Anche le funzioni svolte sono diverse: DNA → molecola depositaria dell'informazione genetica (tranne nei retrovirus) RNA → molecola responsabile della realizzazione della sintesi proteica, quindi della costruzione del nostro fenotipo.  DNA NUCLEARE → contiene la maggior parte delle informazioni genetiche DNA MITOCONDRIALE→ i mitocondri sono organuli importantissimi che permettono l'immagazzinamento di una grade quantità di energia sotto forma di ATP. Questi organuli contengono un piccolo genoma, una molecola circolare di DNA e quindi una piccola parte di informazione, il DNA mitocondriale; è molto importante, infatti se intervengono mutazioni possono presentarsi malattie genetiche gravi. L'informazione viene trasferita dal DNA alle molecole di RNA→ l'informazione contenuta nei cromosomi viene ad essere trascritta e successivamente tradotta in 3 diversi tipi di molecole di RNA: RNA messaggero mRNA RNA transfer tRNA RNA ribosomiale rRNA Questi 3 tipi di molecole di RNA provvederanno al processo di traduzione, ossia alla sintesi delle proteine; l’informazione nel nucleo viene trascritta nei 3 tipi di RNA che la portano dal nucleo al citoplasma, dove avviene la sintesi proteica (meccanismo di traduzione→ in questo modo nelle cellule si passa da genotipo a fenotipo, da gene (DNA) a proteina: Genotipo: informazione nel nucleo Fenotipo: quello che noi siamo, genotipo + interazione con l’ambiente Esistono poi altri tipi di RNA: MicroRNA: regolano l’espressione di mRNA che producono proteine. LONGNONCODINGRNA: funzione regolatoria per la produzione di proteine, sugli RNA messaggeri (mRNA). Perché da una proteina non si può risalire al gene/DNA? Perché un amminoacido può essere codificato da più codoni (amminoacidi). IL DOGMA CENRALE DELLA BIOLOGIA E' il dogma che lega le tre macromolecole: DNA RNA e proteine. Afferma che il flusso dell'informazione è irreversibile e ha un senso unico → in modo univoco dal DNA passa alla formazione di molecole di RNA con la trascrizione, e infine si trasforma in proteine con la traduzione. Negli ultimi anni il dogma è stato allargato a causa della scoperta dei retrovirus → nei retrovirus l'informazione è contenuta in macromolecole di RNA, questi virus quando riescono a inserire il loro genoma nelle cellule ospiti questo impone ai meccanismi presente nella cellula ospite di lavorare per lui. Prima di tutto la molecola di RNA del virus viene trasformata in una di DNA virale, che si va ad integrare nel DNA dell'ospite e poi viene trascritta e tradotta, così da poter infettare le cellule vicine. Nei retrovirus l'informazione in parte fluisce dalla molecola di RNA in molecola di DNA attraverso un enzima(trascrittasi inversa), poi questa molecola si integra nel DNA dell'ospite e poi riprende il suo flusso centrale della biologia. LE FUNZIONI DEL DNA Le funzioni principali del DNA, sono due e sono associate alla funzione di essere una molecola informazionale: L'informazione necessita di essere trascritta per poi essere usata dalla cellula ed essere replicata per trasmettere l'informazione completa alle altre cellule. 1. TRASCRIZIONE→ processo attraverso cui si trasferisce l'informazione contenuta nella macromolecola di DNA in molecole di RNA che poi daranno luogo alla sintesi proteica. E' il meccanismo che consente la sintesi delle tre molecole di RNA(transfer, ribosomiale e messaggero), che vengono trasferiti al citoplasma, dove avviene la sintesi delle proteine che altrimenti non potrebbe verificarsi. Mediante questo processo si trasferisce quindi l'info contenuta nel DNA proteina, in modo che questa venga utilizzata. Non tutta l’informazione viene trascritta e tradotta --> ma solo una parte che serve per il metabolismo. 2. REPLICAZIONE → la replicazione del materiale genetico è necessaria per sostituire le cellule morte. Le cellule rimaste in salute prima di dividersi in due cellule figlie duplicano il materiale genetico e poi dividono equamente l'informazione nelle due cellule figlie. E' un processo importantissimo affinché ogni cellula figlia abbia la stessa informazione completa delle cellule precedenti; in secondo luogo la cellula cerca anche di duplicare e distribuire gli organuli. Esistono due tipi di cellule nell'uomo, che affrontano due tipi di duplicazione diversi: a. CELLULE SOMATICHE(tutte le cellule del nostro corpo ad eccezione delle cellule germinali)→ la replicazione delle cellule somatiche precede la mitosi(duplicazione) All'interno di ogni cellula somatica è contenuta la stessa quantità di DNA rispetto alle altre, ogni cellula contiene quindi le stesse informazioni di tutte le altre cellule somatiche. Le uniche cellule a non contenere DNA sono i globuli rossi, la cui funzione è quella di trasportare l'ossigeno e per compierla al meglio lo spazio in precedenza dedicato al nucleo che poi viene eliminato viene usato per riempire il globulo rosso completamente di emoglobina, ossia la proteina che permette il trasporto di ossigeno. b. CELLULE GERMINALI(ovociti e spermatozoi)→ la replicazione precede la meiosi (duplicazione) Il processo di mitosi per esempio avviene in maniera molto veloce quando veniamo concepiti → le cellule devono duplicarsi attraverso moltissime mitosi, precedute sempre dalla replicazione delle cellule. LE SEQUENZE NON CODIFICANTI Il DNA umano è stato calcolato in grado di codificare quasi 3 milioni di proteine, data la grande quantità di nucleotidi. In realtà è stato stimato che in esso siano presenti solo circa 22.000 sequenze geniche codificanti proteine, ossia le sequenze contenenti l'informazione specifica per la sintesi di una proteina, Una parte del materiale genetico quindi non è codificante → a cosa serve la parte di materiale genetico non codificante? Serve alla trascrizione dei micro RNA e dei long-non-coding RNA → non sono considerati codificanti ma servono a regolare l'espressione degli RNA messaggeri Una gran parte ha funzione strutturale TELOMERI→FUNZIONE PROTETTIVA: sequenze di Dna non codificanti; i nostri cromosomi hanno nelle estremità terminali delle sequenze ridondanti chiamate telomeri, ossia sequenze di nucleotidi ripetute moltissime volte, che non hanno funzione codificante ma protettiva: devono proteggere il contenuto del DNA, cioè le sequenze codificanti contenute nei cromosomi. Questo perché ad ogni replicazione alcuni nucleotidi della parte iniziale e finale vengono persi, i nostri cromosomi si accorciano e allora i telomeri sono necessari affinché nessun gene importante sia esposto e si rischi di perderlo durante le replicazioni. CENTROMERI→ Alcune parti dei cromosomi sono necessarie a far avvenire processi importanti: nella parte centrale di alcuni cromosomi (il centromero) ci sono delle sequenze di nucleotidi che non hanno sequenza codificante ma alle quali si legano delle proteine particolari(centrumeriche) che poi si legano alle proteine del fuso che fanno avvenire in modo corretto il processo di meiosi e mitosi, con una divisione precisa del materiale genetico. Alcune parti hanno ancora funzione ignota LA STRUTTURA DEL DNA Il DNA ha una struttura a doppia elica Parte rossa→ zucchero e fosfato, lo scheletro del DNA, due filamenti che formano delle eliche Righe nere→ le basi azotate presenti nelle due emieliche, legate attraverso legame fosfodiesterico. Le basi azotate sono complementari: si accoppiano in maniera sempre uguale→ A=T, C=G l'accoppiamento è fisso, si accoppiano sempre secondo il principio di complementarietà (A=T, G=T) Tra le due emieliche ci sono i ponti ad idrogeno→ legami deboli facilmente divisibili da enzimi che così allontanano le due emieliche e permettono la trascrizione o la replicazione del DNA I legami ad idrogeno cambiano di numero in base alle basi coinvolte: A=T → si possono formare due legami ad idrogeno data la loro composizione chimica G=C V→si possono formare tre legami ad idrogeno La doppia elica è definita antiparallela→ una emielica va in direzione 3’-5’, l’altra in direzione 5’-3’. Nelle nostre cellule il DNA non è nudo, è sempre associato a delle proteine, gli ISTONI. Queste proteine fanno in modo che il DNA possa raggiungere vari gradi di organizzazione spaziale e di superavvolgimento → a seconda della fase del ciclo vitale in cui la cellula si trova il DNA può essere più o meno superavvolto/compattato. Ciascun nucleo istonico è formato da 8 proteine istoniche→ la doppia elica del DNA si avvolge (fa un doppio guro ad anello) due volte attorno ad un nucleo istonico, perché è carico negativamente. Man mano il DNA sviluppa ulteriori gradi di superavvolgimento, fino ad arrivare alla struttura finale del CROMOSOMA, forma "a bastoncello", compattata, quindi all'ultimo grado di superavvolgimento. E' importante che il DNA possa raggiungere gradi alti di organizzazione e compattamento, che porta alla formazione dei cromosomi → serve quando si arriva ai processi di mitosi e meiosi, affinché il DNA possa essere diviso precisamente. I cromosomi possono avere una struttura più o meno spiralizzata a seconda della fase del ciclo vitale GLI ISTONI Sono proteine fortemente basiche: contengono aminoacidi carichi positivamente. Il DNA vi si lega così volentieri data la sua natura: è una macromolecola negativa dal punto di vista elettrico perché contiene prevalentemente cariche negative dovute alla presenza dei fosfati. Sono gli istoni, proteine specializzate, a permettere l'organizzazione compatta della struttura dei cromosomi. Gli istoni sono divisi in due gruppi: Istoni dei nucleosomi→ responsabili dell'avvolgimento del DNA Ciascun nucleo istonico è formato da 8 proteine, uguali a due a due: 2 per ogni tipo → H2A, H2B, H3, H4 L'istone H1→ è il tratto di DNA lineare che esiste tra due nuclei istonici, srve al compattamento dei nucleosomi I CROMOSOMI Fotografia del cromosoma 12 → cromosoma costituito da due cromatidi: non è un unico filamento di DNA, è un filamento appena replicato, unito in un punto (centromero). Nel centromero ci sono delle proteine che tengono uniti i due cromatidi fratelli → il DNA si è replicato, dividendosi in due cellule figlie, da questo processo sono nati due filamenti, uno l'esatta copia dell'altro, uniti presso il centromero. Nel nucleo di ognuna delle nostre cellule umane abbiamo 46 cromosomi: 22 paia di cromosomi omologhi → AUTOSOMI: non determinano il sesso, codificano le informazioni per la costruzione dei nostri tessuti. 2 CROMOSOMI SESSUALI → un corredo aploide di origine materna (XX) e uno di origine paterna (XY) Perché parliamo di OMOLOGHI→ nel nostro genoma tutta l'informazione è doppia: metà proviene dal DNA della madre(DNA contenuto nel'oocita, nel quale ci sono 23 cromosomi) e metà proviene dal padre(DNA contenuto nello spermatozoo, nel quale ci sono 23 cromosomi) I 23 cromosomi che ereditiamo da ogni genitore sono tutti diversi tra loro ma corrispondono tra cromosoma paterno e materno, sono omologhi → l'informazione contenuta in questi cromosomi è una sequenza di geni che codificano per la stessa funzione: sia nel cromosoma materno che paterno è presente la stessa informazione, (es. info sul cromosoma 1 materno è la stessa del cromosoma 1 paterno) L'informazione che riceviamo alla nascita quindi è doppia → non è però perfettamente identica: la funzione del gene è la stessa(es. produrre pigmento del capello) ma spesso la forma allelica non è uguale, talvolta c'è un rapporto di dominanza e recessività, talvolta invece di codominanza (ad esempio uno dei due ha un allele che codifica per il colore di capelli castano ed uno biondo) Il DNA è materiale genetico ereditario → vari esperimenti hanno dimostrato che è il DNA ad essere il responsabile della trasmissione di informazioni: Griffit → pneumococchi Avery, McLeod e Mc Carty Hershey e Chase I MECCANISMI MOLECOLARI I meccanismi in cui è coinvolto il DNA sono la replicazione e la trascrizione REPLICAZIONE→ Il DNA deve essere duplicato affinché entrambe le cellule figlie ottengano la stessa e identica quantità di informazione al momento della duplicazione TRASCRIZIONE→ l'informazione deve essere trascritta e tradotta affinchè possa essere usata LA REPLICAZIONE La replicazione precede il processo di mitosi: quando le cellule devono affrontare un processo di mitosi (duplicazione) è necessario avvenga la replicazione (detta sintesi, fase S del ciclo cellulare), dopodiché la cellula si potrà dividere in due cellule figlie identiche, contenenti entrambe lo stesso patrimonio genetico. Il processo di replicazione avviene in modo semi-conservativo → quando abbiamo una molecola di DNA che si replica, alla fine del processo avremo 2 molecole nuove perfettamente identiche tra di loro e all'originale. In queste due molecole un’emielica è quella originale, precedente al processo di replicazione, mentre la seconda è di "neo sintesi" Inizialmente si pensava che la cellula nuova fosse completamente, una copia di quella vecchia ma senza che fossero presenti tracce di quella originale. ESPERIMENTO che prova il meccanismo semi-conservativo → esperimento di Meselson e Stahl (1958) Utilizzano i batteri per vedere come il DNA si replicava. Prendono batteri e li fanno crescere in una beuta con del terreno di coltura: FASE A Nella prima fase aggiungono nel brodo di cultura l'isotopo dell'azoto pesante (N15). hanno messo nel terreno di coltura tutto ciò che serve alla crescita dei batteri in più le basi azotate modificate, contenenti l'isotopo dell'azoto pesante (N15) Hanno fatto crescere per diverse ore questi batteri, permettendogli di replicare il proprio DNA varie volte dopo 48 ore hanno preso metà del contenuto della beuta, hanno lavato bene i batteri e li hanno messi in una soluzione ipotonica che ha fatto lisare (esplodere) i batteri, che hanno riversato il loro contenuto all'esterno Da questo contenuto gli scienziati hanno estratto il DNA dei batteri esplosi e l'hanno messo in una provetta con soluzione di clorulo di cesio, che è stratificata e forma un gradiente: la parte più alta è meno densa e a scendere man mano è più densa. Centrifugando la provetta dopo aver posizionato il DNA estratto nella parte superiore, i batteri si riposizionano stratificandosi in un punto che coincide con la loro densità (abbastanza in basso) il DNA si è riposizionato nella parte quasi più bassa della provetta: questo perché era un DNA molto pesante a causa delle molte ore che questi batteri sono stati lasciati crescere nel terreno di coltura arricchito con azoto pesante; tutti hanno sintetizzato molecole di DNA che presentavano basi azotate con isotopo pesante. FASE B Gli altri batteri rimasti nella beuta sono stati lavati in varie soluzioni per allontanarli dal terreno con azoto pesante, hanno aggiunto del brodo fresco con dell'azoto N14(normale). I batteri sono stati fatti crescere per solo mezz'ora → ciascun batterio si è replicato una sola volta: in mezz'ora il DNA si è replicato una sola volta per poi dividersi in due batteri. Il giorno dopo hanno prelevato nuovamente metà della beuta, hanno lavato i batteri e hanno ripetuto i passaggi per estrarne nuovamente il DNA. Una volta ripetuta la centrifuga assieme a quella con la soluzione di cloruro di cesio il DNA si è posizionato a metà della provetta: questo perché la densità delle macromolecole era leggermente diversa. Già da qui si capiva che il DNA si replica in modo semi-conservativo. FASE C Rieseguono i passaggi per una terza volta col restante contenuto della beuta, aggiungendo terreno sempre con azoto leggero, attendendo solo il tempo necessario per un singola replicazione. Hanno estratto il DNA nuovamente, hanno centrifugato la provetta e il DNA si è diviso in due bande diverse: una parte si è posizionata al centro e una più in alto o Banda alta → più leggera: molecole figlie formate solo da emieliche leggere o Banda intermedia → più pesante: molecole figlie formate da un'emielica leggera e una pesante Andando avanti continuando ad aggiungere terreno leggero aumenterebbe il numero di molecole figlie leggere e diminuirebbe quello di molecole figlie formate da un'emielica pesante e una leggere Conclusione → il DNA si replica in modo semi-conservativo perché è stato dimostrato che ad ogni replicazione le molecole figlie conservano sempre un'emielica della molecola parentale di origine, un'emielica preesiste e la seconda è nuova, derivante dal processo di replicazione. COME AVVIENE LA REPLICAZIONE Nel DNA umano ci sono cromosomi molto lunghi → ciascun cromosoma è composto da una sola molecola di DNA che contiene 150 milioni di copi di nucleotidi. La replicazione del DNA umano necessità di una certa rapidità → lungo la lunghezza dei cromosomi si formano delle forcelle di replicazione in diversi punti: ne esistono centinaia lungo i nostri cromosomi e si attivano contemporaneamente per permettere una replicazione rapida. Le forcelle di replicazione Nell'immagine distinguiamo: Le due emieliche del filamento di DNA in rosso I ponti ad idrogeno che tengono unite le basi azotate (linee nere sotto le frecce Durante la replicazione la rottura dei ponti ad idrogeno è necessaria affinché le due emieliche si aprano creando uno spazio al centro dove intervengono vari enzimi per sintetizzare le nuove catene. Le forcelle → le parti ondulate sui filamenti: su diversi punti dei cromosomi si formano contemporaneamente queste forcelle, bolle di replicazione che lavorano contemporaneamente all’interno delle quali lavorano vari enzimi affinchè il processo di replicazione sia veloce. Le forcelle sono sempre più grandi, vengono a formarsi alla rottura dei ponti ad idrogeno: si formano dove le due emieliche si separano; fanno si che possa avvenire la trascrizione velocemente. Nelle forcelle vengono sintetizzati pian piano i nucleotidi che devono formare il nuovo filamento di DNA. Alla fine del processo all'interno delle forcelle si formano le due emieliche che sono completamente separate una dall'altra: i due filamenti un’emielica parentale e una di neo sintesi. Alla fine del processo abbiamo due molecole di DNA nuove identiche e identiche all'originale. FASI DELLA REPLICAIZONE 1) Le due emieliche vengono separate da degli enzimi (ELICASI: spezza i ponti ad idrogeno usando ATP). Agiscono uno dalla parte destra e uno da quella sinistra della forcella: agendo in questo modo creano dello spazio tra le due emieliche 2) Dopo l'elicasi intervengono delle proteine che si legano al DNA a singolo filamento dalla parte esterna della forcella e servono per mantenere le due emieliche separate affinché non si vanifichi l'azione dell'elicasi. Il DNA rimane a singolo filamento affinché il messaggio contenuto nella macromolecola possa essere letto, nel punto in cui sono esposte le basi. 3) Interviene poi immediatamente un altro enzima (TOPOISOMERASI) dalla parte esterna della forcella: fa dei piccoli tagli al filamento e poi lo riaggancia man mano che l'elicasi va avanti cosi da eliminare la tensione torsionale che si crea nella parte esterna della forcella durante il lavoro dell'elicasi per evitare che l'emielica si spezzi per la troppa tensione 4) PRIMASI → enzima che forma dei primer ad innesco, ossia delle sequenze corte di nucleotidi ad RNA; legge un piccolo tratto di DNA, inserisce i nucleotidi complementari e dove vede un adenina mette un uracile.  A partire dai piccoli frammenti di RNA che inserisce interviene poi la DNA POLIMERASI. E' necessario che intervenga prima questa perché la DNA polimerasi non può unire due nucleotidi singoli 5) DNA POLIMERASI→ enzima che legge l'emielica complementare e aggiunge i nucleotidi veri e propri del DNA andando avanti fino a 200/300 nucleotidi. o La DNA polimerasi necessita di un innesco→ necessita dell'intervento della primasi a creare una sequenza di RNA che gli fornisce un'estremità OH su cui polimerizzare i nucleotidi che altrimenti non riuscirebbe a unire. Alla fine la DNA polimerasi degrada tutti i primer a innesco creati dalla primasi e per non lasciare buchi polimerizza i pezzi lasciati vuoti. La DNA polimerasi riesce a sintetizzare legami fosfodiesterici solo nella direzione da 5' a 3': avremo sempre un'emielica la cui polimerizzazione avviene in modo continuo ad opera della DNA polimerasi perché in questo filamento la direzione dell'elicasi è la stessa della DNA polimerasi (5'-3'). nell'altro filamento però la DNA polimerasi non va nella stessa direzione dell'elicasi, perché sintetizza solo nella direzione 5'-3', per questo motivo la DNA polimerasi si stacca e ritorna vicino all'elicasi, facendo un pezzo per volta (frammenti di okazaki: frammenti che si formano sul filamento discontinuo) A questo punto il DNA è formato ma i filamenti sono staccati uno dall'altro perché la DNA polimerasi non può formare un legame fosfodiesterico tra due frammenti di DNA → interviene un enzima (DNA LIGASI) e unisce tutti i frammenti di Okazaki Gli enzimi lavorano in modo abbastanza fedele, ma a volte sbagliano il nucleotide da appaiare e alcuni enzimi correggono l’errore, ma anche questi sistemi enzimatici di correzione non sono perfetti e qualcosa può sfuggire→ si possono introdurre delle variazioni: alcune sono positive quindi non tutta la variazione è dannosa (vantaggiosa per la specie, variazione ai figli che ha un vantaggio selettivo). Alcune sono negative, in quanto possono portare all’insorgenza di malattie genetiche; in questo caso si parla di mutazioni DNA E GENI DNA: grande macromolecola, ci può essere una lunga sequenza di DNA formando ad esempio un intero cromosoma. GENE: una sequenza di DNA limitata che contiene l’informazione specifica per la codifica di una specifica proteina, è la minima sequenza nucleotidica di DNA in grado di codificare una sequenza polipeptidica (prodotto proteico). Abbiamo 22 mila sequenze di geni nel genoma umano Struttura del gene Sequenza di nucleotidi che va da 5' a 3' → ogni gene è formato da sequenze di nucleotidi. Struttura minimale presente in ciascun gene umano Parte iniziale →PROMOTORE: sequenza di nucleotidi che non viene mai trasformata in proteina; è una parte del gene che non contiene l'informazione per la sintesi di una proteina, serve a regolare l'espressione del gene. E' una sequenza di regolazione di espressione del gene. In questa sequenza si possono associare delle proteine chiamate "fattori di trascrizione" e possono avere funzione negativa o positiva 1. negativa → inibiscono l'espressione del gene 2. positiva→ attivano l'espressione del gene che viene trascritto I fattori di trascrizione ci dicono se il gene deve essere trascritto e in quante copie deve essere trascritto Dopo questa sezione troviamo una tripletta di nucleotidi: ATG= tripletta con significato di inizio, è primo tratto codificante del nostro gene che verrà trascritto in RNA messaggero e tradotto in quello che è il primo tratto della proteina futura. I nucleotidi successivi non è sono tutti codificanti: o ESONI (PARTE CODIFICANTE)→ sequenze di nucleotidi all'interno dei geni che poi verranno codificate in amminoacidi, sono intervallati dagli introni, altre sequenze di DNA o INTRONI (PARTE NON CODIFICANTE)→ verranno rimossi dall'RNA messaggero tramite il processo di splicing, affinché gli esoni possano unirsi a formare l'RNA maturo. Non tutti i geni umani contengono gli introni. o Entrambi verranno trascritti in RNA messaggero. Ci sono geni molto piccoli che codificano proteine fatte da un unico esone: non avviene lo splicing perché non ci sono introni (ad esempio il gene FOXC2) La sequenza dei geni è limitata → ad un certo punto in un esone ci sarà una tripletta di nucleotidi che da l'indicazione a livello molecolare che quella proteina è terminata (tripletta UGA). Poi il gene termina con una coda che non viene tradotta in nulla → i nucleotidi nella coda finale non sono codificanti. All'inizio degli esoni umani c'è sempre il nucleotide di partenza ATG che codifica per una specifica proteina(metionina), sono le sequenze successive a variare in base alla presenza o meno degli introni. In che modo l’informazione contenuta nel DNA (all’interno dei cromosomi, che contengono i geni) viene codificata in proteina? Quali sono i meccanismi molecolari attraverso i quali passiamo da genotipo ad un’espressione del fenotipo (espressa dalla produzione delle proteine)? Questo avviene attraverso la trascrizione e la successiva traduzione del messaggio. 1. CON LA TRASCRIZIONE→ l’informazione viene semplicemente trascritta 2. CON LA TRADUZIONE/ SINTESI PROTEICA→ l’informazione viene tradotta da una sequenza di nucleotidi 3. Duplicazione del DNA Tutte le nostre cellule contengono l'intero patrimonio genetico nel nucleo (46 cromosomi) che rimane lo stesso a partire da quando siamo un piccolo zigote Dal punto di vista morfologico le cellule sono diverse ma hanno tutte lo stesso patrimonio genetico → la diversità morfologica e funzionale è dovuta al fatto che non tutta l'informazione si esprime (mai una cellula usa tutta l'informazione). Le cellule esprimono soltanto una parte dell'informazione, ossia quella che serve per la realizzazione di una specifica funzione. Inoltre a seconda della fase di vita della cellula questa può esprimere pacchetti di geni diversi, alcuni per esempio sono espressi soltanto durante l'embriogenesi.  Il differenziamento tessutale dipende dall'espressione dei nostri geni, di cui solo una parte viene ad essere trascritta e tradotta. Il cariotipo umano è comune mentre il genotipo proprio di ogni persona è unico → avremo gli stessi geni di chi uguale a noi(femmina umana) ma gli alleli sono chiaramente diversi: le combinazioni alleliche dei nostri geni sono diverse, motivo per cui ci sono chiare differenze tra ogni essere umano. La combinazione allelica (genotipo) è unica → anche nei gemelli omozigoti, anche se all'inizio sono identici, attraverso le varie mitosi si sviluppano delle differenze nel genotipo anche se molto piccole. LA TRASCRIZIONE DEL DNA L'informazione contenuta nel nucleo viene ad essere trascritta in molecole di RNA per poter essere utilizzata nella sintesi delle proteine.( RNA messaggero, transfer e ribosomiale) Solo l'RNA messaggero negli esoni contiene l'informazione per la sintesi della proteina ma la trascrizione può avvenire solo se sono presenti tutti e tre. FASI: 1. ALLONTANAMENTO DELLE EMIELICHE: Le due emieliche di DNA in un tratto sono state allontanante per l'intervento dell'elicasi che rompe i ponti ad idrogeno. In questo punto agisce un enzima che permette la trascrizione da DNA a RNA messaggero (RNA polimerasi) 2. TRASCRIZIONE DEL GENE: RNA POLIMERASI → riconosce la sequenza del promotore di un gene e riesce a riconoscere se questo promotore ha associati dei fattori di trascrizione. Se sono associati fattori di trascrizione il promotore è positivo e l' RNA polimerasi procede alla trascrizione del gene stesso → inizia a polimerizzare un RNA messaggero L'RNA polimerasi poi legge il messaggio contenuto nel DNA e nucleotide dopo nucleotide inizia a trascriverlo fino a formare un emielica complementare al filamento di DNA. Non copia il messaggio, dove ci sono adenine mette uracile. Va avanti finchè alla fine riesce a leggere una sequenza di nucleotidi che c'è in fase terminale che segna la fine del gene, quindi il punto dove termina la trascrizione del gene. 3. RIFORMAZIONE DELLA DOPPIA ELICA: Alla fine della trascrizione il filamento di RNA si stacca dal DNA e il DNA riforma la doppia elica→ questo dipende dai fattori di trascrizione presenti a livello del promotore: in base a quanti ce ne sono il DNA può essere trascritto tot volte. L'RNA messaggero si forma nel nucleo in modo immaturo → contiene inizialmente tutta la sequenza di nucleotidi, esoni ed introni; ci sono poi degli enzimi che ne realizzano il processo di maturazione: attraverso il processo di splicing rimuovono gli introni ed uniscono gli esoni. Si forma l'RNA messaggero maturo → formato da una sequenza di nucleotidi priva di introni, che poi viene trasportato al citoplasma dove avviene la sintesi proteica SINTESI PROTEICA → avviene tra RNA ribosomiale e proteine ribosomiali, usando gli RNA transfer Ribosomi → macromolecole costituite da RNA ribosomiali e proteine ribosomiali: servono per la sintesi proteica RNA transfer → sequenza di nucleotidi priva di introni Tutti i tre tipi di RNA sono sequenze di DNA trascritte che portano alla formazione di questi diversi tipi di RNA: tutti vengono trascritti a partire da sequenze contenute nel nucleo, nel nostro DNA. Tutti vengono trascritti dall'RNA polimerasi (enzima) Attraverso la trascrizione si passa quindi da DNA a RNA → da una sequenza di nucleotidi ad un'altra. Questo messaggio va tradotto in una sequenza di amminoacidi → processo di traduzione: meccanismo molecolare che permette la conversione/codificazione da sequenza di nucleotidi(mRNA) a proteina Il gene viene trascritto in RNA messaggero e poi tradotto in proteina a livello del citoplasma. SUM UP DNA e RNA → sequenza di nucleotidi PROTEINA→ sequenza di amminoacidi TRADUZIONE→ traduzione da una lingua ad una diversa: il messaggio viene tradotto in una sequenza di amminoacidi. E’ il meccanismo molecolare che porta alla conversione/codificazione di una proteina a partire dall’mRNA IL CODICE GENETICO Noi abbiamo 20 amminoacidi che costituiscono le nostre proteine→ le combinazioni possono essere svariate, infatti esistono moltissime proteine nel nostro corpo. Abbiamo degli RNA messaggeri maturi formati da esoni, ogni tripletta di nucleotidi contiene il messaggio per la sintesi di una proteina. Le triplette in rosso danno il messaggio di stop → quando si incontra una di queste vuol dire che la sintesi proteica è terminata. Ogni amminoacido è codificato dalla sequenza di 3 basi, un codone. Il codice genetico è un codice a 3 nucleotidi (3 lettere) e ogni amminoacido è codificato da una tripletta di nucleotidi. Per riuscire a capire com'era fatto il codice genetico sono stati fatti vari esperimenti e si è capito che: È fatto da triplette →successioni di tre nucleotidi Ogni amminoacido è codificato dalla sequenza di 3 nucleotidi I nucleotidi sono 4: tutte le possibili combinazioni, in successione, corrispondo a 64 tipi di combinazioni diverse. È RIDONDANTE → Alcuni amminoacidi vengono decodificati da più triplette diverse È preciso → ad ogni codone corrisponde un solo amminoacido. Le triplette non codificano più amminoacidi, solo uno specifico E’ SENZA INTERRUZIONI → triplette di inizio: AUG(metionina) e triplette di fine UAA, UAG, UGA : non ci sono interruzioni nella lettura E’ QUASI UNIVERSALE → in tutte le nostre cellule il codice genetico è lo stesso, ad eccezione di qualche gene mitocondriale che riporta delle leggere differenze nel codice genetico. Vale per tutti gli organismi viventi. La natura del codice genetico Gli amminoacidi sono 20: esistono 64 possibili diverse triplette per 20 amminoacidi 61 codoni codificano per alcuni amminoacidi, 3 codoni sono segnali di terminazione della catena polipeptidica (UAG, UAA, UGA) Alcuni amminoacidi sono codificati da più di un codone. I RIBOSOMI Complessi macromolecolari formati da proteine ribosomiali e da RNA ribosomiali di diversa lunghezza Formati da due subunità, una maggiore ed una minore Ciascuna subunità contiene sia proteine ribosomiali che RNA ribosomiale Gli RNA vengono sintetizzati nel nucleolo: una regione specifica del nucleo RNA ribosomiali e proteine ribosomiali si assemblano a formare i ribosomi, che compiono la loro azione a livello del citoplasma. I ribosomi derivano dall'unione specifica tra RNA ribosomiale e le proteine ribosomiali(80 nell'uomo). Coordinano il funzionamento del RNA transfer e dell'RNA messaggero, rendendo possibile la sintesi di polipeptidi. Ogni ribosoma è formato da due subunità: SUBUNITA’ MINORE → possiede un sito di legame per l'mRNA SUBUNITA’ MAGGIORE → possiede siti di legame per i tRNA (parti colorate nel disegno) I tre spazi interni nella subunità maggiore sono occupati da due tipi diversi di tRNA → in uno è legato solo un amminoacido, in un altro c'è una catena polipetidica nascente. Questi tRNA si trovano sopra l'RNA messaggero che è appoggiato sulla subunità inferiore del ribosoma. rRNA + proteine ribosomiali→ formazione delle subunità maggiore e minore, poi si associano e formano il ribosoma completo RNA TRANSFER Si pone da interprete molecolare tra l'RNA messaggero e RNA transfer Nell'estremità 3’ si lega un amminoacido, e nell'ansa centrale porta un anticodone(tripletta speciale) Porta con sé l'aminoacido che sarà parte della catena peptidica e l'anticodone Anticodone → sequenza di 3 nucleotidi che decodifica un codone. Si trova nell’amsa centrale della struttura: è una parte di RNA che decodifica il messaggio dell’RNA messaggero. Ogni anticodone decodifica un codone In ogni molecola di tRNA ci sono siti diversi: Estremità 3'→ c'è il sito di attacco per uno specifico amminoacido Amsa centrale della struttura → sequenza di 3 nucleotidi (anticodone) che legge il messaggio presente nell'RNA messaggero, ogni anticodone decodifica un codone. Nel nucleo a partire dall'info contenuta nel DNA attraverso un processo di trascrizione si formano: RNA messaggeri→ che contengono l'info per la sintesi di una proteina. Vanno in contro a un processo di maturazione e poi raggiungono il citoplasma, dove avviene la traduzione che permette la sintesi delle proteine. RNA ribosomali che assemblandosi alle proteine formano i ribosomi RNA transfer a cui si lega un amminoacido nell'estremità 3' e che nell'ansa centrale portano un anticodone TRADUZIONE → avviene nel citoplasma e porta alla sintesi di una proteina, utilizzano i tre diversi tipi di RNA formatosi durante la trascrizione nel nucleo di DNA. AMINOACIL tRNA LIGASI→Legano l'amminoacido corretto che si deve legare a un tRNA che ha uno specifico anticodon → ogni molecola di tRNA ha uno specifico anticodon e questi enzimi riconoscono l'anticodon per legarvi l'amminoacido corretto. Completano a livello molare la codifica oggettiva del messaggio CODONE-ANTICODONE Macromolecola di mRNA Nell'estremità superiore(3') si lega un amminoacido specifico(metionina) → nel codone di RNA messaggero c'è una tripletta specifica (AUG, il primo codone del primo esone delle nostre proteine, complementare ad UAC) che indica che l'unico tRNA che potrà posizionarsi in modo stabile(ossia decodificare) su questo mRNA è quello che porta uno specifico anticodon (UAC). Ogni codone ha un anticodone specifico → ad ogni mRNA si lega uno specifico tRNA per complementarietà tra codon e anticodon. Gli enzimi aminoacil tRNA ligasi riconoscono l'anticodon del tRNA e sanno quale specifico amminoacido devono legare all'estremità 3'. mRNA e tRNA si legano seguendo due step di complementarietà: 1. Ad uno specifico codone si lega uno specifico anticodone 2. In base all'anticodon si lega uno specifico amminoacido. La complementarietà fa si che si formi questa struttura "a trifoglio" → tra nucleotidi complementari si formano ponti ad idrogeno. Nell'ansa centrale ci sono i tre nucleotidi che costituiscono l'anticodone(UAC) MUTAZIONI A CARICO DEL DNA Nel DNA è contenuto il messaggio per la sintesi delle proteine, non sempre però succede che riusciamo a produrre proteine funzionali e con la struttura corretta. Nel materiale genetico possono verificarsi dei cambiamenti a carico dei nostri geni che vengono talvolta trasmessi di generazione in generazione. Questi cambiamenti possono danneggiare il funzionamento di alcune proteine: quando siamo davanti a dei cambiamenti che creano delle disfunzionalità parliamo di MUTAZIONE in negativo. Esistono due classi di mutazioni che variano il DNA 1. MUTAZIONI CROMOSOMICHE → associate al cambiamento del numero/struttura dei cromosomi 2. MUTAZIONI PUNTIFORMI O GENICHE→ riguardano un unico gene ESEMPIO DI MUTAZIONE GENICA ANEMIA FALCIFORME Mutazione di tipo puntiforme(genica): si verifica quando c'è una variazione di un singolo nucleotide: la mutazione avviene sul gene che codifica per la catena beta dell'emoglobina, a livello del codone 6. EMOGLOBINA→ è una proteina tetramerica, costituita da quattro subunità: due α e due β, è fondamentale per il trasporto dell'ossigeno dagli alveoli polmonari a tutte le cellule dei nostri tessuti e viceversa. Deve prelevare l'anidride carbonica che viene prodotta da vari processi metabolici e dai nostri tessuti portarla agli alveoli polmonari dove poi viene fatta fuoriuscire mediante l'espirazione A livello del codone 6 si crea un amminoacido o diverso dal solito (VALINA) che rende l'emoglobina appiccicosa L'emoglobina è fatta da due catene(alfa e beta un gene codifica per una e uno per l'altra) ed è divisa in: EMOGLOBINA A → definita di controllo: negativa alla mutazione, sequenza GAG (glutammina), carica positivamente EMOGLOBINA S → l'emoglobina che indica la presenza della malattia Quando a livello 6 della catena beta avviene una mutazione di un singolo nucleotide si passa dall'emoglobina di controllo A all'emoglobina S che determina l'insorgenza di una malattia. Cambia la sequenza di codoni da GAG (sequenza normale, emoglobina A) a GTG(emoglobina S). Questa sequenza GTG determina il cambiamento dell'amminoacido per cui codifica la tripletta→ codifica per l'amminoacido Valina, che rende l’emoglobina idrofobica e appiccicosa. La proteina dell’emoglobina A (normale) è tetramerica globulare: costituita da 4 subunità (due catene α e β) che si agganciano e interagiscono fra di loro a livello spaziale. Hanno una forma globulare e agiscono singolarmente (lega all’ossigeno e alla CO2). I globuli rossi sono farciti di queste catene di emoglobina; essi possono essere compressi e successivamente riprendere la stessa forma perché dentro ci sono tante piccole subunità per cui è possibile fare questa azione senza si rompano i globuli. I globuli rossi intravasano ed extravasano in continuazione (portano l'ossigeno dall'alveolo fino a tutte le cellule dei tessuti, poi quando arrivano in loco lo rilasciano e riprendono la CO2). Non si rompono perché la membrana è plastica e perché all'interno tutte le molecole di emoglobina sono staccate l'una dall'altra. MUTAZIONE→ la valina è un amminoacido scarico e comporta un cambiamento di struttura nelle molecole di emoglobina→ di solito restano singole senza aderire tra di loro in questo caso, a causa della presenza di un punto idrofobico, si formano dei punti appiccicosi tra le molecole e queste tendono a formare delle fibrille e dei fascetti di emoglobina. Così facendo si formano dei globuli rossi con una forma diversa (FALCIFORME), questo cambio nella forma dei globuli rossi che contengono non più singole molecole ma fibrille di emoglobina, impedisce il corretto trasporto dell'ossigeno. I globuli rossi di questa forma si rompono nel momento in cui entrano nell'alveolo polmonare e quindi non riescono a prendere l'ossigeno da far circolare nel corpo. Se un individuo è omozigote la patologia si manifesta; se un individuo è eterozigote è portatore sano (se salgono ad alta quota si sente la presenza dell’emoglobina anomala) Anemia falciforme: malattia ALLELICA RECESSIVA IL PROCESSO DI TRADUZIONE Il messaggio del mRNA deve essere decodificato e tradotto, grazie al tRNA che riesce a legge il messaggio degli anticodoni. I 3 RNA sono fondamentali per il passaggio da genotipo a fenotipo, dal DNA alla proteina→ la traduzione consiste nel passaggio dal linguaggio degli acidi nucleici a quello delle proteine (amminoacidi). Sono le proteine a determinare la struttura delle cellule e degli altri composti. La traduzione del messaggio genetico (contenuto nell'mRNA) nel linguaggio degli amminoacidi richiede l'intervento di un "interprete molecolare". La traduzione si svolge a livello del citoplasma → una cellula pronta a tradurre parte della sua informazione genetica in catene polipeptidiche possiede nel citoplasma degli amminoacidi, la maggior parte provengono dalla dieta, altri li sintetizziamo grazie al lavoro di alcuni enzimi(per vai endogena). Gli amminoacidi non possono riconoscere direttamente il messaggio contenuto nel mRNA → intervengono tRNA e enzimi che riescono a leggere il messaggio e a legare ad ogni specifico anticodon un amminoacido specifico. tRNA→consente di legare l'amminoacido corretto e riconoscere i codoni specifici dell' mRNA grazie a degli enzimi. Ogni molecola di tRNA è una catena corta di nucleotidi che costituiscono strutture con tre anse, quella intermedia contiene l'anticodone. Alcuni amminoacidi sono essenziali a livello nutrizionale: non abbiamo sintesi endogena, li dobbiamo per forza introdurre tramite alimentazione. Gli amminoacidi seguono un’informazione ben definita, costruite le proteine (amminoacido dopo amminoacido) in modo specifico, tutte le 22.000 proteine diverse hanno una sequenza e una struttura ben precisa, con un codice specifico (struttura primaria) che viene dal DNA, che viene esplicitato grazie al processo di traduzione. La traduzione consiste nel passaggio dal linguaggio degli acidi nucleici a quello delle proteine. La traduzione del messaggio genetico (contenuto nell’mRNA) nel linguaggio degli amminoacidi richiede l’intervento di un “interprete molecolare”. Per convertire le parole a tre lettere (codoni) degli acidi nucleici nelle parole a una lettera (amminoacidi) la cellula utilizza un tipo di RNA detto RNA transfer (tRNA) Ci sono degli enzimi che associano gli amminoacidi corretti all’anticodone del tRNA. I tRNA hanno tutti la stessa struttura: 80 nucleotidi A 3’ legano l’amminoacido nell’ansa centrale abbiamo l’anticodone che lega con il codone del mRNA. I ribosomi coordinano il funzionamento tra mRNA e tRNA rendendo possibile la sintesi di polipeptidi. Sono costituiti da due subunità: un sito di legame per l'mRNA sulla subunità minore e siti di legame per i tRNA sulla subunità maggiore. In un punto ben preciso si poggia l'mRNA con il ribosoma Ci sono 3 tasche: E: sito d'uscita, P: sito di legame del peptidi-tRNA, A: sito del legame dell’amminoacido tRNA. Gli enzimi leggono l’anticodone riconoscendolo e legano l’amminoacido corretto sopra COME AVVIENE LA TRADUZIONE Il processo di traduzione si divide in tre fasi: 1. Inizio→ unica per ogni terminazione 2. Allungamento→ si può ripetere tante volte quanto è il numero di amminoacidi che compone quella proteina meno uno, perché il primo viene portato nella fase di inizio 3. Terminazione→ unica per ogni terminazione INIZIO Ci troviamo nel citoplasma. l'RNA messaggero si appoggia sulla subunità minore del ribosoma Ci sono dei tratti esposti di RNA ribosomiale che riconoscono la parte 5' dell'RNA messaggero così che questo si appoggi su un punto specifico della subunità minore (il punto iniziale del ribosoma) Una speciale molecola di tRNA iniziatore si lega quindi al codone iniziatore dove deve iniziare la traduzione. Arrivano i vari tRNA che portano gli amminoacidi: quello iniziatore si posiziona in modo stabile sul primo codone; è quello che ha nell'ansa centrale l'anticodone UAC complementare al primo codone AUG (ANTICODONE UAC si lega con PRIMO CODONE AUG) Il tRNA rimane per qualche secondo posizionato e si troverà nella parte centrale della subunità superiore, coprendo l'RNA messaggero che è posizionato nella prima parte del codone. L'inizio della traduzione avviene solo se c'è energia→ si usa GTP(guanosin-trifosfato) come fonte di energia per il processo di inizio della traduzione. ALLUNGAMENTO Una volta completato l'inizio avviene l'allungamento, che è diviso in varie fasi, può essere ripetuto a seconda del numero di codoni: 1. RICONOSCIMETNO DEL SECONDO CODONE→ una nuova molecola di tRNA, che porta un anticodone specifico, riconosce il secondo codone; l’anticodone della una nuova molecola di tRNA legata allo specifico amminoacido si appaia col secondo codone dell'mRNA e si posiziona nel sito A del ribosoma. 2. FORMAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO →si forma il legame peptidico tra i due amminoacidi legati ai rispettivi (e quindi sono allineati e vicini). A causa della formazione del legame peptidico, il polipeptide in formazione, lascia il tRNA nel sito P e rimane legato al tRNA nel sito A. Ora il polipeptide ha un amminoacido in più. o Legame peptidico→ covalente forte: si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico del secondo amminoacido. 3. TRASLOCAZIONE→ il tRNA (rimasto scarico, non porta amminoacidi) presente nel sito P si stacca dal ribosoma. Contemporaneamente l'RNA in posizione A (carico) si sposta i posizion P, prendendo il posto di quello scarico, lasciando così la posizione A libera. In questo modo, nel sito A viene ad essere esposto un nuovo codone da decodificare. TERMINAZIONE L’allungamento del polipeptide continua fino a quando nel sito A del ribosoma viene a trovarsi un codone di stop → ossia una tripletta che non porta associato nessun aminoacido. I codoni di stop (UAA, UAG e UGA) non codificano per alcun amminoacido, ma segnalano la fine della traduzione La catena polipeptidica completata si stacca così dal ribosoma, che si scinde nuovamente nelle due subunità, superiore e inferiore LE PROTEINE Attraverso la traduzione quindi si passa dal genotipo al fenotipo→ le proteine sono il nostro fenotipo. La parola proteina deriva dal greco proteios che vuol dire “al primo posto” e suggerisce l’importanza di questa classe di macromolecole. Sono il nostro fenotipo, costituiscono il 50% del peso secco di quello che c'è nel nostro corpo; inoltre è dalle proteine che origina qualsiasi altra molecola presente nel nostro corpo e partecipano a quasi tutte le funzioni espletate dagli organismi Le proteine hanno struttura e funzioni diverse→ tutto ciò che riusciamo a fare a livello del nostro organismo è dovuto alle proteine. L'uomo produce 22 mila tipi diversi di proteine nonostante abbiamo solo 20 tipi di amminoacidi, questo è dovuto alla disposizione degli amminoacidi: 1. Le proteine sono di lunghezza diversa 2. L'ordine della sequenza che forma le proteine varia → gli amminoacidi possono ripetersi diverse volte creando sempre diverse sequenze. STRUTTURA DELLE PROTEINE PROTEINA → formata da uno o più polipeptidi arrotolati, ripiegati e avvolti in modo preciso per formare una molecola di una certa forma specifica. In una proteina esistono generalmente 3 livelli di struttura→ in quelle costituite da più catene polipeptidiche esiste un quarto livello di struttura 1-STRUTTURA PRIMARIA E’ la specifica sequenza degli amminoacidi che costituiscono una proteina. Se questa cambia, può influenzare la funzionalità di una proteina → es: il cambiamento di un amminoacido nell'emoglobina provoca l'anemia falciforme 2-STRUTTURA SECONDARIA Formata da segmenti di catena polipeptidica che formano strutture regolari locali. Ne esistono due tipi più noti → α-ELICA / STRUTTURA β A PIEGHE (A FOGLIETTO) È stabilizzata da legami ad idrogeno → si formano lungo lo scheletro della catena polipeptidica 3-STRUTTURA TERZIARIA E' la complessiva struttura tridimensionale di una proteina. E' stabilizzata da legami chimici tra gruppi delle catene laterali degli amminoacidi, collocati in zone diverse della catena polipeptidica. LEGAMI DEBOLI → ad idrogeno, ionici e interazioni di Van der Waals LEGAMI FORTI → di solfuro e covalenti tra coppie di cisteine 4-STRUTTURA QUATERNARIA E' la proteina formata dall'aggregarsi di due o più catene polipeptidiche, associate in un'unica macromolecola funzionale. Per esempio il COLLAGENO, una proteina fibrosa, è costituito da subunità elicoidali superavvolte che formano una tripla elica. L’organizzazione superavvolta conferisce alle fibre di collageno un’elevata resistenza necessaria alla funzione che esse devono svolgere come costituenti dell’intelaiatura del tessuto connettivo e di strutture quali tendini e legamenti. L’EMOGLOBINA è un esempio di proteina con struttura quaternaria. E' costituita da due tipi di catena polipeptidica (α e β) → ognuno è presente in due copie, per un totale di 4 subunità I FATTORI SPECIFICI CHE DETERMINANO LA CONFORMAZIONE DI UNA PROTEINA Una peculiare conformazione conferisce una specifica funzione a ciascuna proteina → esistono fattori specifici che determinano la conformazione Una catena polipeptidica si dispone spontaneamente assumendo una forma tridimensionale stabilizzata da interazioni responsabili della struttura secondaria e terziaria Questa disposizione (ripiegamento dei peptidi) avviene nel momento in cui la proteina è ancora in fase di sintesi nella cellula La conformazione di una proteina dipende dalle condizioni fisiche e chimiche dell’ambiente in cui la proteina si trova Se pH, concentrazione salina, temperatura e altri parametri ambientali si modificano, la proteina può destrutturarsi (processo di “denaturazione”) Il processo di ripiegamento o “folding” corretto di una proteina non è semplice→ sino ad oggi i biochimici hanno determinato la struttura tridimensionale di circa 10.000 proteine. La simulazione del processo di folding di una proteina è oggi al di là delle possibilità dei moderni programmi informatici. Gli scienziati si prefiggono di sviluppare un super computer straordinariamente potente (chiamato Blue Gene), capace di generare la struttura tridimensionale di qualsiasi proteina a partire dalla sequenza amminoacidica. La principale metodica utilizzata attualmente per identificare la struttura tridimensionale delle proteine è la cristallografia a raggi X GLI AMMINOACIDI Ogni amminoacido è costituito da: un atomo di carbonio C centrale un idrogeno H