Biologia e Genetica PDF - Notes

LEZIONE 1 ESSERE VIVENTE Gli esseri viventi sono un sistema complesso ma con una complessità ben definita (istruzioni genetiche), i sistemi complessi sono in grado di accrescersi e di svilupparsi utilizzando materiali ed energia presi dall’ambiente per realizzare le reazioni all’interno del corpo....

LEZIONE 1 ESSERE VIVENTE Gli esseri viventi sono un sistema complesso ma con una complessità ben definita (istruzioni genetiche), i sistemi complessi sono in grado di accrescersi e di svilupparsi utilizzando materiali ed energia presi dall’ambiente per realizzare le reazioni all’interno del corpo. Inoltre gli esseri viventi hanno la capacità di riprodursi, cioè possono duplicare il loro materiale genetico. Gli esseri viventi riescono ad adattarsi all’ambiente per sopravvivere. Esistono diverse tipologia di essere viventi: procarioti, cioè batteri, sono cellule non hanno un nucleo e il DNA è sparso nel citoplasma; eucarioti, hanno una struttura cellulare più complessa, il DNA è ben definito e contenuto nel nucleo, questi si dividono in: 1. unicellulari, 2. pluricellulari. Gli esseri viventi si procurano l’energia in modo diverso: autotrofi, usano energia dall’ambiente CO2 + H2O + energia → glucosio + O2 eterotrofi, prendono l’energia sotto forma di molecole organiche, vengono utilizzati dagli autotrofi. Glucosio + O2 → CO2 + H2 + energia COMPOSIZIONE CHIMICA DI UNA CELLULA Gli organismi derivano da un antenato comune, quindi hanno una composizione chimica simile. Sono composti per il 70% di acqua, il restante 30% formato da: 4% molecole inorganiche (ioni, sali); 2% lipidi; 7% acidi nucleici; 15% proteine; 2% carboidrati. L’acqua è formata da idrogeno e ossigeno, i legami covalenti tra gli elementi sono spostati vicino al nucleo di ossigeno (conferendogli una carica parzialmente positiva). Questo da un vantaggio nell’ambiente, per esempio: è un ottimo solvente di composti di carichi negativamente e positivamente. Le molecole d’acqua interagiscono attraverso legami idrogeno, che dona alle molecole della caratteristiche: l’acqua allo stato solido e meno densa rispetto allo stato liquido, vantaggio per la vita marina perché il ghiaccio galleggiando permette il mantenimento della vita (proteggendo l’acqua sottostante dagli sbalzi di temperatura); hanno una elevata capacità termica, perché sono in grado di assorbire il calore ed evitare sobbalzi termici delle temperatura. → Il carbonio è un atomo che può formare 4 legame, la molecola minima è il metano CH4. 1  Esistono una serie di composti formati dal carbonio: alcol, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri. CARBOIDRATI I carboidrati sono poli-alcoli che contengono anche un gruppo aldeidico (all’estremità) o chetonico (in mezzo). Gli zuccheri possono avere 5 o 6 atomi di carbonio. Le molecole si trovano a forma di anello, grazie alla reazione di ciclizzazione si producono poi due forme: una alfa (OH sotto) e una beta (OH sopra) in base alla disposizione nello spazio del penultimo gruppo ossidrilico. Monosaccaridi Ribosio= cheropentoso Galattosio= aldoso Fruttosio= chetoso Disaccaride Unione di monosaccaridi come: glucosio come saccarosio. 2 Polisaccaridi Unione di tante molecole di glucosio come cellulosa (conformazione beta-1,4) o amido (conformazione alfa-1,4). Riserva energetica sia carboidrati che lipidi. LIPIDI I lipidi sono formati da catene di carbonio con la presenza di un gruppo carbossilico. Tutte le unità di carbonio possono essere unite da: legami singoli (saturi, come il burro); legami doppi (insaturi, come l’olio). Il doppio legame confluisce flessibilità alla molecola che determina il loro stato a temperatura ambiente. Gli acidi grassi (sono la stessa cosa dei lipidi) nell’organismo sono: trigliceridi (glicerolo), sono riserve energetiche che l’organismo accumula e utilizza in caso di necessità di energia (grossa fonte energetica); fosfolipidi, che hanno la funzione di essere dei componenti nelle cellule: 1. fosfogliceridi= formati da glicerolo, la terza posizione è occupata da un gruppo fosfato (testa polare) e le code sono formate da catene di carbonio e idrogeno (idrofobiche). Nelle membrane la testa sta a contatto con l’acqua e le code lontano. 2. Sfingolipidi= sempre testa e coda, ma chimicamente una gamba è formata da sfingosina mentre l’altra è diversa a seconda dei casi. → Sia i fosfogliceridi che sfingolipidi possono avere uno zucchero nella testa (comuni nelle cellule nervose). 3. glicero-glicolipidi, contengono lo zucchero ma simili a fosfogliceride 4. sfingo-gliclipidi, contengono lo zucchero ma simile a sfingolipidi 3 Gli steroidi possono avere molte funzioni come ormoni (testosterone). Il colesterolo è uno steroide con una catena alifatica. I fosfolipidi nella membrana si dispongono a micella, ma possono disporsi a doppio strato, con le teste all’esterno e le code all’interno, formando cosi un ambiente idrofobico. ACIDI NUCLEICI Sono due tipi: RNA, acido ribonucleico - zucchero DNA, acido deossiriboncleico - zucchero ribosio; 2-dessosiribosio L’unità base è il nucleotide, questo è formato da: zucchero; 3 gruppi fosfato; base azotata ( 5 basi= adenina, timina, citosina, guanina e uracile). I nucleotidi si legano formando un legame tra il primo fosfato (2° molecola) con il carbonio 3 (1° molecola), l’energia viene donata con la scissione dei due fosfati. Le molecole vengono legate in direzione 5’- 3’ e forma un legame fosfodiestere 5’-3’. 4 Nel DNA i due filamenti formano una doppia elica e sono antiparalleli, le basi azotate si trovano sempre all’interno dell’elica e lasciano il gruppo fosfato all’esterno. Le basi azotate del DNA sono: adenina, guanina, citosina e timina. Queste basi azotate si legano nella doppia elica tramite un legame idrogeno. Il DNA costituisce i cromosomi che sono strutture depositarie dell’informazione genetica all’interno del nucleo delle cellule. La struttura non è lineare ma si attorciglia attorno a delle proteine dette istoni e a sua volta si ripiega per formare un gomitolo= formazione del cromosoma (condensato). 5 L’RNA è quasi sempre a singola catena a differenza del DNA che è sempre doppio a forma di doppia elica. In rari casi anche il RNA può appaiarsi e l’interazione tra basi è A-U e C-G. Ci sono diversi tipi i RNA: messaggero, copia delle istruzioni del DNA. Viene utilizzato per essere tradotto; ribosomiale, forma i ribosomi deputati alla sintesi delle proteine → funzione strutturale; transfer, si ripiega in modo particolare (struttura trifoglio) ed è coinvolto nella sintesi delle proteine, portare nei ribosomi gli amminoacidi che servono per costruire la proteina. Ansa dell’anticodone riconosce mRNA e il sito di attacco dell’amminoacido. PROTEINE Le proteine sono polimeri di amminoacidi. Gli amminoacidi sono formati da carbonio alfa, gruppo amminico, gruppo carbossilico (acido) e gruppo laterale (porzione che varia). Esistono 20 tipi di amminoacidi che si dividono in polari o non polari, carichi positivamente o negativamente. Alcuni contengono anche un anello aromatico. La sequenza degli amminoacidi è la struttura primaria di una proteina, sono costituiti da un n-terminale e un c- terminale. → L’unione degli amminoacidi avviene attraverso il legame ammidico (peptidico). La struttura secondaria è come si dispone nello spazio e sono: alfa-elica e beta-foglietto. La struttura terziaria è la disposizione nello spazio nelle 2 conformazioni. 6 La struttura quaternaria riguarda l’associazione di più proteine insieme che formano un complesso (es. emoglobina). Funzioni delle proteine: enzimatica=catalizzano le reazioni biochimiche; strutturale= es. cheratina; trasporto= es. emoglobina; movimento= es. actina/miosina; immunità= es. anticorpi; comunicazione=es. ormoni CELLULA È una struttura chiusa delimitata da un confine detto membrana, contiene al proprio interno il materiale occorrente per riprodursi e per svolgere le funzioni biochimiche per accrescersi. Le cellule procariote contengono il DNA libero, la cellula è formata da membrana e alcuni casi da parete e i ribosomi (servono per fare le proteine) La cellula eucariote contiene DNA in un nucleo, nel citoplasma contiene diversi organelli che svolgono funzioni della cellula. 7 RETICOLO ENDOPLASMICO Sistema di membrane e sito dove viene sintetizzata la maggior parte del materiale che deve essere secreto dalla cellula. All’interno dei sacchetti ci saranno degli enzimi che permettono le sintesi. Il reticolo endoplasmatico ruvido presenta i ribosomi (che producono le proteine), nei ribosomi avviene la sintesi delle proteine e degli acidi grassi. Esse sono svolte in due zone diverse: reticolo ruvido= proteine; reticolo liscio= lipidi. APPARATO DI GOLGI Le proteine e i lipidi passano nell’apparato di Golgi che è una serie di sacchetti membranosi vuoti e vicini. Svolge diverse funzioni: riceve le molecole sintetizzate nel reticolo endoplasmico attraverso le vescicole lipidiche dove all’interno sono presenti le proteine lipidiche prodotte nel reticolo. La vescicola gemma e si fonde con la parete nel Golgi e successivamente vengono nuovamente modificati. Nel Golgi ci sono 3 zone: cis (entrata)= vicino al reticolo e riceve le vescicole; medial= prodotto viene modificato nuovamente; trans (uscita)= avviene l’ultima modifica e possono lasciare l’apparato Ogni regione contiene una serie di enzimi specifici per la modifica. 8 MITOCONDRI Sono organelli particolari → centrali energetiche, il mitocondrio deve produrre ATP viene usato come riserva energetica, perché il legame covalente tra i gruppi fosfato è molto energetico. Al loro interno avviene la respirazione ossidativa che produce ATP. Sono formati da doppia membrana lipidica liscia (esterna), mentre quella interna è formata da invaginazioni dette creste. Su queste creste avviene una catena di reazioni per produrre ATP. L’ultimo passaggio avviene sulla membrana mitocondriale interna che prevede un trasporto di elettroni, che vengono trasportati lungo una serie di proteine della membrana. Questo processo causa un accumula di ioni idrogeno nello spazio intermebrana, che provoca un potenziale che viene sfruttato dall’ultima proteina per produrre ATP. I protoni accumulati fuori rientrano tutti di botto, così conferisce l’energia necessaria all’enzima per sintetizzare ATP. Questo processo avviene grazie all’ossigeno, che è l’accettore finale degli elettroni. L’ossigeno chiama a se gli elettroni che causano l’accumulo di idrogeno sul lato esterno, che rientrando permette la sintesi dell’ATP. GLUCOSIO + O2 → CO2 + H20 + ENERGIA I mitocondri al proprio interno hanno una molecola di DNA e si dividono per fissione come i batteri. TEORIA: I mitocondri sono degli antichi batteri che gli eucarioti hanno assorbito per produrre energia. CLOROPLASTI Hanno una doppia membrana, all’interno si trovano i tilacoidi che sono invaginizioni della membrana. Presenti solo nel regno vegetale. Sui cloroplasti Avviene la reazione opposta, dove gli autotrofi utilizzano l’energia della luce per produrre molecole organiche. Sulla superficie avvengono reazioni a catena che grazie all’energia derivata dalla luce, si riesce a produrre ATP. L’energia luminosa viene catturata dai pigmenti di clorofilla e convertiti in energia chimica, con la produzione di ossigeno. CO2 + H20 + ENERGIA → GLUCOSIO + O2 I cloroplasti erano dei batteri fotosintetici quindi hanno un DNA proprio al suo interno, quindi simili ai mitocondri. 9 LISOSOMI Sono discariche dove vengono degradati le macromolecole/ gli organelli non funzionanti/ eventuali nemici come batteri e patogeni. Servono per distruggere molecole non più necessarie de riciclarne i componenti. Hanno al proprio interno un ambiente fortemente acido, perché gli enzimi che lavorano funzionano a pH acido (nucleasi, proteasi, glicosilasi, lipasi, fosfatasi, solfatasi, fosfolipasi). Hanno un citoplasma a pH neutro, che pompa attivamente ioni idrogeno all’interno del lisosoma. Le particelle che la cellule assume per endocitosi. PEROSSISOMI Sono responsabili della degradazione degli acidi grassi e dei composti tossici all’interno della cellula. Le caratteristiche principali di questo organelli sono: la membrana singola; enzimi, ossidasi e la catalasi. CITOSCHELETRO Il citoscheletro è costituito da tre tipologie di filamenti: filamenti intermedi (es. cheratina); microtubuli (es. tubulina); microfilamenti (es. actina). Microfilamenti I microfilamenti sono costituiti da actina. L’actina è presente in tutte le cellule eucariotiche, dove rappresenta il 5% delle proteine cellulari. Le singole molecole di actina si chiamano actina G (globulare). In condizioni adeguate, le molecole di actina G polimerizzano a formare i microfilamenti; sotto questa forma, l'actina è chiamata actina F (filamentosa). Filamenti intermedi I filamenti intermedi (IF) hanno un diametro di circa 8-12 nm e sono organizzati in fasci proteici resistenti e durevoli. Hanno un ruolo fondamentale strutturale, di sostegno della tensione cellulare. I filamenti intermedi sono le strutture più stabili e meno solubili del citoscheletro sono specifici di ogni tessuto: epiteli; tess. connettivi; 10  tess. nervoso. Microtubuli I microtubuli sono formati da tubulina alfa e tubulina beta, due polipeptidi globulari, che polimerizzano in 13 protofilamenti lineari. I protofilamenti sono allineati in parallelo con la stessa polarità. Il microtubulo è polare con un estremità positiva (in crescita veloce) ed una negativa (a crescita lenta). LEZIONE 2 COMUNICAZIONE CELLULARE E TRASDUZIONE DEL SEGNALE Comunicazione cellulare, cioè implica un segnale che viene mandato e ricevuto da una cellula per poi essere interpretato. Traduzione del segnale, cioè la parte di interpretazione del segnale. MEMBRANA PLASMATICA Organo cellulare che media le comunicazioni, tra una cellula e l’altra e tra tessuti. È una struttura lipidica, composta quindi da lipidi ma anche da proteine. Può essere descritta come una barriera che fa da confine tra l’ambiente cellulare e quello extracellulare. È selettivamente permeabile: questo significa che attraversa la membrana solo quello che è necessario alla cellula, mentre rimane al di fuori quello che può essere dannoso (permeabile solo ad alcune condizioni), quindi controlla il flusso dei nutrimenti e in generale delle sostanze necessarie alla vita della cellula. La membrana non è solo il confine esterno della cellula ma fa anche da compartimezzazione perché alcuni organelli sono circondate da membrana (reticolo endoplasmatica, membrana dei mitocondri e del nucleo). È coinvolta nel: − flusso di sostanze verso l’interno e l’esterno della cellula, − nella comunicazione cellulare, − nei movimenti delle cellule nell’ambiente (grazie anche ad alcune proteine), − nella crescita cellulare. 11 Composizione Il 50% della massa della membrana è composta da lipidi (fosfolipidi), mente l’altro 50% è composto da proteine. Fosfolipidi divisi in: fosfogliceridi, derivati dal glicerolo − composto da glicerolo a cui sono legate due catene di acidi grassi e nella terza posizione un gruppo fosfato con un altro gruppo polare; sfingolipidi, derivati dalla sfingosina. È composto da una testa polare e le code idrofobiche che si dispongono per formare un doppio strato in cui le teste sono rivolte verso l’esterno, mentre le code verso l’interno non a contatto con l’acqua. All'interno del doppio strato sono presenti anche diverse proteine, che possono o attraversare l’intera membrana da un’estremità all’altra o essere in contatto solo con uno dei due lati. → Le proteine all’interno della membrana mediano diverse funzioni della membrana stessa, perché questa è come se fosse un'impalcatura passiva, oltre ad una barriera per le sostanze 12 Comunicazione La membrana è coinvolta nella comunicazione e quindi nello scambio di sostanze, verso l’ambiente esterno ma soprattutto con altre cellule (es. per i lieviti è necessaria per comprendere se nell’ambiente sono presenti i nutrimenti). Meccanismi di segnalazione intercellulare Batteri ed eucarioti unicellulari hanno sviluppato meccanismi di comunicazione e percezione dell’ambiente esterno (es. lieviti di prima). Gli organismi multicellulari necessitano di comunicazioni complesse per il coordinamento dei vari tessuti. Utilizzano quindi gli stessi meccanismi ma per regolare le funzioni tra tessuti. → La comunicazione avviene mediante molecole segnale. La comunicazione avviene attraverso diversi segnali: una cellula invia il segnale; un’altra cellula riceve il segnale; il segnale ricevuto è convertito in forma diversa (una forma leggibile per la cellula in modo da poter rispondere). 13 I diversi passaggi sono: 1. sintesi della molecola segnale (molecola che riceve) da parte della cellula che manda il segnale; 2. rilascio della molecola segnale da parte della cellula che manda il segnale (es. se questo segnale è una proteina, all’interno della cellula devono prima avvenire tutti i passaggi per la sintesi di questa proteina); 3. trasporto della molecola segnale alla cellula bersaglio; 4. riconoscimento del segnale da parte di uno specifico recettore, ha solitamente qualcosa sulla sua membrana che gli permette di farlo; 5. innesco di una via intracellulare di traduzione del segnale, questo deve essere trasportato verso il nucleo e deve poi essere letto; 6. vi sono dei cambiamenti nelle funzioni cellulari scatenato dal segnale; 7. rimozione del segnale che di solito fa terminare la risposta della cellula, → alcune malattie insorgono proprio perché questo non avviene (tumori); Il legando è il segnale che si lega al recettore, solitamente una proteina di membrana, la quale ha una porzione esterna e una interna alla membrana (la porzione interna si attiva biochimicamente per trasferire l’informazione). L’informazione arriva solitamente ad altre proteine attivandole in scala, fino a quando non si ha la risposta cellulare, la quale può essere una risposta rapida o una risposta sostanziosa (es. la modifica della trascrizione dei geni (quando arriva al nucleo)), portando alla produzione di proteine diverse. Una singola cellula in un momento riceve molti segnalo diversi, per esempio arrivano segnali per dire di mantenersi in vita (nel disegno A,B,C), ai quali possono aggiungersi anche altri segnali diversi (C, D). Tutti vengono inoltrati in un'unica riposta globale della cellula che potrebbe per esempio portare ad un processo di mitosi. → A seconda dei molteplici segnali che la cellula riceve e a seconda della loro forza li integra tutti e risponde con in unica risposta. Questi segnali possono essere classificati a seconda delle modalità con cui arrivano. 1. Segnalazione per contatto La cellula che deve mandare il segnale si avvicina alla cellula bersaglio e per contatto innesca la risposta sulla cellula bersaglio. In questo caso il segnale è la proteina di membrana sulla cellula iniziale. In alcuni casi entrambe le cellule rispondono dopo il segnale. 14 2. Segnalazione autocrina Auto perché segnala sé stessa, ci sono casi in cui una cellula rilascia nell’ambiente un segnale a cui lei stessa è in grado di rispondere (si auto convince a fare qualcosa). 3. Segnalazione paracrina Quando il segnale viene ricevuto da una cellula vicina (solitamente tra cellule molto vicine ma non in contatto). 4. Segnalazione endocrina Il segnale (un ormone) viene secreto e trasportato tramite il sistema circolatorio, esce dai vasi e si va a diffondere nel tessuto bersaglio andando a innescare una risposta su cellule molto lontane 5. Segnalazione sinaptica Diversa dalle altre perché avviene tra cellule molto lontane tra di loro (cellula del cervello che va per esempio ad innervare il piede) − Il meccanismo è una segnalazione paracrina in quanto il neurotrasmettitore viene rilasciato localmente all’interno della sinapsi, dalla cellula nervosa e ricevuto dalla cellula bersaglio molto vicina alla terminazione del neurone (anche se il segnale aveva viaggiato per lunghe distanze sotto forma del segnale elettrico all’interno dell’assone del neurone). → Segnale elettrico che diventa un segnale chimico locale. 15 I SEGNALI I segnali possono essere di varia natura dal punto di vista chimico: proteine, piccoli peptidi, singoli amminoacidi, nucleotidi, lipidi, gas e zuccheri. I recettori possono essere situati all’interno della cellula come nel caso dei recettori per gli ormoni steroidei (lipidi) come il testosterone. → Le molecole lipofile, sono in grado di attraversare la membrana lipidica della cellula e diffondersi liberamente al proprio interno (per questo non ha bisogno di un recettore esterno). Il testosterone utilizza un tipo di segnalazione endocrina, viaggia all’interno del torrente circolatorio, esce nel tessuto all’altezza delle cellule che vuole bersagliare e entra solo nella cellula bersaglio in cui si trova il suo recettore. Il recettore una volta ricevuto l’ormone, entra nel nucleo e va ad attivare la trascrizione dei geni (la trascrizione di molecole di mRNA) In questo caso tutto il meccanismo si riduce a due passaggi, cioè: l’ormone si lega al suo recettore; il recettore attiva i geni. I recettori possono essere situati sulla superficie della cellula, come nel caso dei recettori per i fattori di crescita (es. la molecola segnale è una proteina, che non può attraversare la membrana lipidica). All’interno lo strato dei lipidi è un ambiente idrofobico e gli amminoacidi (così come i nucleotidi o gli zuccheri) non possono attraversare questo tipo di ambiente, per questo deve essere “preso dall’esterno” dai recettori esterni alla membrana. In questo caso il recettore non entra nella cellula ma deve essere in grado di scatenare una risposta all’interno causando un incremento della produzione di altre molecole (chiamate secondi messaggeri). Recettori sulla superficie I recettori situati sulla superficie della cellula possono essere di vario tipo. I. Recettori accoppiati a proteine G Sono recettori di membrana che quando vengono attivati dal segnale reclutano una seconda proteina, la proteina G (un complesso di 3 proteine), la legano e la attivano. 16  Proteine G: per funzionare devono il nucleotide GTP (utilizzato come cofattore) Quindi quando il recettore chiama a se la proteina G, questa si lega ad un GTP e si attiva. Successivamente la proteina G dopo essere stata attivata, si stacca dal recettore e va ad attivare un enzima effettore (sempre situato sulla membrana), il quale va a produrre un secondo messaggero (di varia natura, in questo caso AMP ciclico). Dopo il secondo messaggero verranno attivati meccanismi di trascrizione genica (vanno quindi a loro volta ad attivare altre proteine, si viene a formare un meccanismo a cascata). Secondi messaggeri: sono molecole di piccole dimensioni che vengono prodotte nella cellula in seguito all’interazione ligando-recettore e “trasferiscono” il segnale agendo su proteine o recettori intracellulari Esempio:Via di segnalazione dell’adenilato ciclasi 1. Arriva il segnala e si lega al recettore (recettore viola, ligiando giallo, proteina G verde, enzima cioè adenilato ciclasi blu) 2. Il recettore chiama la proteina G e la attiva con l’attacco di un GTP All’inizio era un composto da 3 proteine ma dopo essere stato attivato solo la subunita alpha continua la cascata. 3. Subunità alpha va ad attivare l’enzima ciclasi, il quale produce AMP ciclico (cAMP), cioè il secondo messaggero che andrà ad attivare altre proteine. 4. La proteina G si autoinattiva e il segnale viene spento (meccanismo di auto inibizione) 17 II. Recettori associati ad enzimi Il recettore scatena direttamente un’attività enzimatica. Il recettore dopo essersi legato con il segnale, richiama l’enzima il quale scatena poi la risposta all’interno della cellula. La trasduzione del segnale avviene tramite l’aggancio di P (gruppo fosfato) sulle proteine del citoplasma, vengono quindi modificate chimicamente, attivando ’enzima. 18 Esempio: La via di JAK/STAT In questo caso la trasduzione del segnale è brevissima perché il recettore ha il suo enzima (JAK): appena il segnale arriva JAK si attiva (agganciandosi un fosfato) → JAK attacca un fosfato anche alla proteina STAT → STAT va nel nucleo e legge il DNA. Questa tipologia è anche tipica del sistema immunitario infatti il recettore del eritropoietina (serve per differenziare i gr nel midollo osseo), funziona allo stesso modo, cioè: il recettore lega il segnale (l’eritopoietina); chiama JACK; JACK attiva STAT; STAT va nel nucleo e attiva la trascrizione genica legandosi al DNA. (Nella seconda foto la scritta è blinds DNA and activates transcription). III. Recettori con attività enzimatica intrinseca Recettori che trasmettono il segnale mediante attività enzimatica. Il recettore è l’enzima stesso. Il recettore riceve il segnale, aggancia da solo i fosfati sulla propria coda introcitoplasmatica e scatena la risposta. 19  Sono solitamente specifici per riconoscere i segnali di crescita e proliferazione (divisione cellulare), sono quindi stimoli che dicono alla cellula che l’ambiente è ottimo ed è il momento per accrescere e dividersi. - In ogni caso l’obiettivo è quello di trasformare il ricevimento di una molecola segnale dall’esterno in una serie di eventi all’interno, in modo da far arrivare un'informazione biologica all’interno del nucleo Esempio: Recettore dell’insulina (in rosso) Questo recettore tra i suoi compiti ha quello di stimolare l’accrescimento e l’utilizzo dei nutrimenti delle cellule in cui è espresso. Quando il recettore riceve l’insulina essendo un enzima inizierà ad attivare delle proteine nel citoplasma È in grado di stimolare due cascate parallele di trasduzione del segnale. → Quella della MAP chimasi (Ras -> raf -> MEK - > MAPk) → Fasfatinil inositolo 3 chinasi/ AKT (unica proteina da ricordare è AKT, il fulcro della via di segnale) Queste vie di segnalazione sono diverse in quanto, la seconda termina con un accrescimento del volume cellulare (in preparazione ad un eventuale divisione); mentre la prima dice alla cellula di dividersi. Questi due passaggi devono andare in parallelo ed è per questo che un unico recettore può scatenare entrambe le vie. 20  I recettori e meccanismi diversi spesso coesistono, la stessa cellula anche nello stesso momento può ricevere segnali diversi su recettori diversi che possono utilizzare meccani si diversi o anche che usano parzialmente gli stessi elementi. Recettori dei canali ionici I recettori situati sulla superficie della cellula possono anche essere dei canali che rispondo allo stimolo aprendosi e facendo passare ioni. In riposta ad un determinato stimolo alcune proteine di membrana creano dei fori sulla membrana cellulare (dei pori idrofilici ) che permettono il passaggio di delle molecole che altrimenti non potrebbero passare la membrana. Il loro percorso è: la molecola segnale si lega alla proteina canale; il canale si apre e lascia passare molecole che prima non potevano passare (ioni); uno dei meccanismi che rende la membrana semipermeabile; si comporta come un recettore perché riceva un segnale e produce un effetto 21 TRASDUZIONE DEL SEGNALE La trasduzione del segnale è la capacità delle cellule di trasformare una interazione recettore/ligando in una modifica funzionale Questo processo richiede diverse tappe di trasmissione del segnale all’interno della cellula tramite secondi messaggeri. Dal recettore (qualunque tranne quello degli ormoni), ad un certo punto il segnale deve lasciare la regione vicino alla membrana e viaggiare verso il nucleo, per fare questo avviene solitamente una “staffetta” di proteine che si attivano a vicenda Il recettore o il suo enzima associato attiva una proteina del citoplasma che andrà ad attivare un'altra proteina del citoplasma e così via fino a quando non si arriva all’attivazione di proteine nucleari (o proteine del citoscheletro nel caso di una risposta del citoscheletro) Questi schemi di trasduzione del segnale possono comprende meno o più passaggi ma si basano sempre su un’attivazione successiva di proteine che si passano l’informazione Questa tipologia di meccanismi è altamente conservata soprattutto a livello degli eucarioti (dal lievito della birra all’essere umano e gli animali). Esempio: Via delle mapchinasi (MAPk) Il segnale che dice alla cellula di dividersi Il recettore è ad attività intrinseca, attiva una proteina (ras) Ras -> raf -> MEK -> MAPk MAPk, una volta attivata arriva al nucleo e attiva dei fattori di trascrizione Avviene una cascata di attivazione a step successivi 22 Come funziona l’attivazione? Il meccanismo più utilizzato dalla cellula è quello basato sull’attacco di un gruppo fosfato Anche nell’esempio precedente è un continuo attaccarsi di un gruppo fosfato (PO4) in modo covalente su uno degli amminoacidi della proteina bersaglio. La proteina attivata con il gruppo fosfato va a sua volta ad attaccare un fosfato alla sua proteina bersaglio attivandola e così via. Il fosfato viene sempre preso dall’ATP e traferito sulla proteina che deve essere attivata La proteina attivata è come se avesse ricevuto un segnale e va quindi a passare questo segnale alla proteina dopo di lei nella cascata. Un altro meccanismo per attivare le proteine è basato sul nucleotide GTP. È basato su un meccanismo uguale a quello delle proteine G Anche nelle cascate di trasduzione a volte capita che una proteina viene attivata grazie al fatto che viene indotta a catturare il GTP, una volta aver attaccato il GTP la proteina è quindi attiva e può andare ad attivarne un'altra. → Entrambi I meccanismi sono disegnati a circolo perché il segnale alla fine deve essere sempre spento, sono dei meccanismi transitori. Dopo aver svolto il suo lavoro alla proteina viene staccato il fosfato o viene distrutto il GTP (distrutto dalla proteina stessa) per essere disattivata. Qual è l’effetto finale della trasduzione del segnale? Il meccanismo di trasduzione del segnale deve indurre una risposta da parte della cellula bersaglio. La risposta può essere: cambio di attività/struttura di proteine (risposta rapida) come: 23  rimodellamento del citoscheletro, trasporto di vescicole, modificazioni metaboliche, risposte rapide perché sono basate solo sull’attivazione o in attivazione di un enzima; cambio dell’espressione genica (risposta lenta) come: - trascrizione, - traduzione, - riposte lente perché avviene la sintesi di nuove proteine. DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA Prima di far partire la trascrizione RNA polimerasi deve aprire la doppia elica di DNA, Il DNA è il depositario dell’informazione genetica (le istruzioni con cui siamo fatti) L’informazione genetica controlla la sequenza degli amminoacidi nelle proteine ma il DNA non è lo stampo diretto per questa sintesi. Esiste una seconda molecola, l’RNA, che copia l’informazione genetica, la trasferisce e dirige la sintesi delle proteine, agisce come un intermediario tra il DNA (che contiene le informazioni sulla produzione delle proteine) e la produzione delle proteine stesse, importante perché il DNA è confinato all’interno del nucleo. L’informazione fluisce dal DNA al mRNA alle proteine. TRASCRIZIONE Come prima cosa l’RNA polimerasi deve aprire la doppia elica di DNA. Successivamente vi è la trascrizione è il processo in cui la sequenza nucleotidica del DNA che porta l’informazione viene trascritta in una sequenza nucleotidica di RNA. Copiatura per complementarità: la sequenza dell’RNA è complementare alla sequenza del DNA stampo. All’interno del DNA i due filamenti sono complementari (legge di appaiamento delle basi), grazie a questo vedendo il DNA possiamo già sapere come sarà il filamento di RNA copiato. Il filamento nero è il filamento stampo (cioè quello che viene copiato durante la trascrizione). 24 L’RNA polimerasi (enzima) legge il filamento di DNA e produce un RNA complementare allo stampo. Successivamente l’RNA polimerasi legge il DNA al contrario partendo quindi da 3’ per produrre un filamento di mRNA 5’→3’. La sintesi avviene attaccando un nucleotide all’estremità 3’OH del nucleotide precedente (per questo la sintesi del RNA va sempre in direzione 5’→3’) attraverso la formazione di un legame covalente tra il fosfato del nucleotide nuovo e OH di quello già presente, liberando i due fosfato. Idrolisi dei due fosfati (idrolisi del NTP) libera energia che viene utilizzata per la formazione del legame del nuovo nucleotide. Primo nucleotide del filamento di RNA ha se sempre un fosfato libero mentre l’ultimo ha sempre un OH libero in 3’ Es. il filamento di RNA quando viene preso come stampo il filamento rosso Il filamento di mRNA così prodotto viene tradotto in una sequenza di amminoacidi attraverso la traduzione. → All’interno del nostro genoma, geni diversi (cioè che traducono per informazioni diverse) possono trovarsi su filamenti diversi. Un gene (gene d)viene trascritto da destra a sinistra su un filamento, sul di filamento 5’—> 3’. Un altro gene (gene b) viene trascritto da destra a sinistra sul filamento opposto (gene b) sul filamento 3 —> 5’ 25 → Sempre rispettando la legge della complementarità e la legge del 3’—> 5’ GENI Geni: unità di trascrizione, sono sequenze di DNA trascritte in un singolo RNA, che inizia da un promotore e finisce ad un terminatore. Il promotore è una sequenza di nucleotidi che indicano all’RNA polimerasi dove il gene inizia (perciò dove deve iniziare la trascrizione). Il terminatore è una sequenza di nucleotidi che indica dove il gene finisce (perciò dove deve finire la trascrizione). RNA POLIMERASI Nei procarioti esiste una solo RNA polimerasi, mentre negli eucarioti vi sono 3 tipi: 1. RNA pol I trascrive rRNA; 2. RNA pol II trascrive mRNA, miRNA, smRNA (piccoli RNA); 3. RNA pol III trascrive tRNA e 5S rRNA. All’interno del nostro genoma non tutto il DNA è composto da geni che possono essere trascritti e tradotti, e questi geni devono essere riconosciuti. RNA policistronico Nei procarioti gli RNA spesso contengono l’informazione per più proteine. Ogni sequenza è un'unica proteina trascritta su uno stesso filamento di RNA. Inoltre, questo permette di coordinare la sintesi di queste proteine, utili quando hanno uno scopo comune. Es dell’operone lac Serve per degradare il lattosio nei batteri. 26  In questa via catabolica sono coinvolte tre proteine, prodotte tutte nelle stesso momento perché devono agire insieme. È presente un unico RNA con un promotore e un terminatore ma che al suo interno contiene le sequenze per le tre proteine. (tre sequenze di geni vengono trascritte dallo stesso RNA, perché è policistronico) RNA nelle cellule eucarioti All’interno delle nostre cellule un gene contiene l’informazione per una sola proteina, sono sempre presenti però il promotore e il terminatore. L’RNA viene classificato in base alla funzione che svolge: mRNA (messaggero), contiene l’informazione copiata dal DNA per la sintesi delle proteine, sotto forma di codoni; tRNA (transfer), porta l’amminoacido nel ribosoma e interpreterà le triplette; rRNA (ribosomiale), si associa ad altre proviene per formare i ribosomi, le fabbriche in cui vengono sintetizzate le proteine. 27 PROCESSAMENTO DELL’ RNA Maturazione Il processo di maturazione avviene solamente negli eucarioti perché : il DNA è nel nucleo e le proteine vengono sintetizzate nel citoplasma; i geni degli eucarioti comprendono: − esoni, cioè sequenze codificanti, che indicano come sarà la proteina (blu), − introni, cioè sequenze non codificanti, che non portano informazioni riguardo la sequenza delle proteine e devono essere rimossi (gialle) L’mRNA deve essere portato dal nucleo al citoplasma dove può essere tradotto, per fare questo però devono prima: essere eliminati gli introni → questo processo è detto splicing; deve avvenire il legame con il cappuccio all’estremità 5’; deve avvenire il legame della coda-A (composta da nucleotidi di adenina) all’estremità 3’. 28 Questi ultimi due punti soddisfatti servono per dire alla cellula che l’RNA è ora maturo e pronto per essere trasportato al di fuori del nucleo ed utilizzato Splicing Sull’RNA sono presenti dei siti di riconoscimento grazie ai quali alcune proteine del nucleo riescono a riconoscere dove inizia e finisce l’introne (seq. non codificante). Questa parte viene rimossa e le sezioni rimanenti vengono ricongiunte Aggiunta del cappuccio Il cappuccio è una guanosina modificata (contiene un legame insolito 5’-5’) e viene aggiunto da un enzima all’estremità 5’. Aggiunta della coda poli(A) Consiste nell’aggiunta all’estremità 3’ di una coda di A di lunghezza variabile (50-250 nucleotidi). La coda viene aggiunta dalla poly(A) polimerasi dopo che una serie di fattori hanno riconosciuto uno specifico segnale sull’mRNA e tagliato l’mRNA a valle di tale segnale. Quando è stata raggiunta la terminazione, la polimerasi si stacca e il messaggero è libero. È presente una determinata sequenza riconosciuta da un enzima che taglia l’ultimo pezzo del filamento (il quale viene perso). Un altro enzima lega la coda alla fine del filamento. 29 Regolazione della trascrizione La regolazione della trascrizione è importante perché avere sempre tutti i geni espressi non serve e può essere dannoso, inoltre è un dispendio inutile di energia (non tutte le proteine sono necessarie in tutti i momenti). Gli organismi hanno bisogno di una precisa regolazione in risposta agli stimoli esterni (reversibile, rapida), come: fattori di crescita, ormoni, etc; cambiamenti di sorgente energetica (es. zuccheri vs proteine). Cellule diverse devono attivare geni diversi (differenziamento) in base a ciò che hanno bisogno (regolazione del ciclo cellulare). Sono quindi presenti dei sistemi che indicano alla polimerasi se trascrivere un gene o un altro e quando farlo. Questi sistemi sono proteine che riconoscono le sequenze del DNA del promotore; il promotore è leggermente diverso per ogni gene in modo da agganciare proteine diverse (fattori trascrizionali) che assistono l’RNA polimerasi. → I fattori di trascrizione sono proteine che si legano vicino e interagiscono all’RNA polimerasi e grazie ai questi può essere attivata la trascrizione solo in alcuni momenti o solo in alcuni tessuti. Alcuni di questi fattori incrementano la trascrizione. Altri sono dei repressori e quindi spengono la trascrizione. Ogni cellula avrà come corredo di fattori trascrizione diversi in base alle necessità TRADUZIONE La sintesi proteica o traduzione è il processo biochimico attraverso il quale l'informazione genetica contenuta nel mRNA viene convertita in un linguaggio diverso con un alfabeto diverso: quello delle proteine, che svolgono nella cellula un'ampia gamma di funzioni. → Viene cambiato il linguaggio perché si passa da una sequenza di nucleotidi a una sequenza di amminoacidi Come avviene? La traduzione avviene all’interno dei ribosomi dove sono presenti 3 siti: A, in cui entra il entra il nuovo tRNA; P, in cui si trova il tRNA con la catena peptidica che cresce; E, il sito da cui poi esce il tRNA scarico. Nel ribosoma entra il messaggero, il quale scorre fino a quando il tRNA riconosce il codone AUG (codone di inizio) e si aggancia portando una metionina, a livello del sito P. 30 A questo punto arriva il secondo tRNA ed entra nel sito adiacente (sito A) e per complementarità leggera il secondo codone e lega il secondo amminoacido. → Sono presenti degli enzimi che catalizzano il legame covalente tra i due amminoacidi. Il primo amminoacido e il secondo rimangono legati al secondo tRNA. Il ribosoma scorre di una posizione e il primo tRNA (quello che trasportava la metionina) si trova nel sito di uscita. Arriva il terzo tRNA (nel sito A) che legge la terza tripletta e porta il terzo amminoacido, si forma il legame tra il terzo e il secondo amminoacido (la catena di amminoacidi si sposta quindi sul nuovo tRNA). Esce il primo tRNA e il ribosoma scorre ancora di una posizione in modo da avere il sito A libero per l’arrivo di un nuovo amminoacido E così via fino al codone di stop, quando il ribosoma si apre in due e il messaggero viene distrutto liberando la proteina. Le sequenze di RNA vengono lette in triplette (o codoni), cioè ogni 3 nucleotidi viene codificato un amminoacido (letto in direzione 5’ —> 3’). L’RNA non viene tradotto a partire dal suo primo nucleotide ma dal primo cordone AUG (amminoacido metionina). Sono presenti 64 possibili combinazioni di codoni, di questi: 3 sono codoni di stop (UAA, UAG, UGA) quindi indicano la fine della sequenza che deve essere codificata; 1 codone di inizio (AUG). Sono quindi presenti 61 codoni codificanti per gli amminoacidi anche se sono presenti solo 20 amminoacidi, per questo un amminoacido può essere codificato da più di un cordone. Per questo il codice genetico viene definito ridondante. 31 Il tRNA che porta l’amminoacido ha sulla sua ansa inferiore l’anticodone, cioè una tripletta complementare a quella del codone presente sul mRNA (es. codone CUC viene appaiato all’anticodone GAG del tRNA che porta l’amminoacido leucina ). LEZIONE 3 CICLO CELLULARE Le cellule possono essere classificate in base alla loro capacità di crescere e di dividersi: cellule che continuano a dividersi (es. oogoni, spermatogoni, cell. epiteliali, cell. staminali); cellule che normalmente non si dividono ma che possono essere indotte a dividersi (es. cellule epatiche); cellule che hanno perso la capacità di dividersi (es. cellule neuronali, globuli rossi). Il ciclo cellulare è una serie ordinata di eventi che porta alla divisione cellulare. La durata del ciclo cellulare varia da cellula a cellula. Una cellula si divide per permettere la riproduzione, per l’accrescimento corporeo o per rimpiazzare altre cellule. Il ciclo cellulare inizia con la divisione cellulare e termina con la formazione di due cellule figlie. Il ciclo cellulare è contraddistinto da due fasi principali: interfase; fase M, cioè il processo di divisione cellulare per mitosi o per meiosi e citochinesi INTERFASE L’interfase è divisa in tre fasi: G1 (G=gap=intervallo 1); S (duplicazione del DNA); 32  G2 (gap2=intervallo 2). Nell’interfase la cellula cresce in volume ed è attiva nelle sue funzioni metaboliche, come l’ossidazione del glucosio, la trascrizione, la traduzione e la replicazione. Perciò nell’interfase avvengono gli eventi preparatori alla mitosi. Alcune cellule si dividono in due, mentre altre mai, per gli organismi pluricellulari e monocellulari. Per potersi dividere la cosa deve essere organizzata, per questo motivo le cellule seguono una sequenza di eventi altamente regolati. → I due eventi/momenti principali sono la mitosi (fase M) e la duplicazione del DNA (fase S). La cellula duplica il DNA è successivamente si divide. In base al tipo cellulare le fasi avranno una lunghezza diversa. FASE G1 La durata del ciclo cellulare varia molto anche in base alla lunghezza della fase G1. La fase G1 può durare ore, giorni, settimane o più a lungo a seconda del tipo cellulare. Quando la fase G1 si protrae molto a lungo, si parla di fase G0, cioè una fase stazionaria di attesa. Le cellule che non si dividono, cioè non passano alla fase S, entrano nella fase G0, dove viene raggiunto la fine dello sviluppo e la cellula non si divide più. La morte cellulare programmata è chiamata apoptosi, è un processo di autodistruzione cellulare, programmato geneticamente, che contribuisce a controllare il numero di cellule che formano un tessuto. L’ingresso da G0 a G1 ed il passaggio da G1 a S è molto cruciale perchè la cellula deve decidere se allungarsi e rimanere nella G1 oppure innescare la fase S (una volta entrati nella fase S, superato il check-point – cioè il punto dove la cellula deve per forza andare avanti con le fasi). Il passaggio da una fase all’altra richiede l’intervento di messaggi ambientali, chiamati mitogeni o fattori di crescita. FASE S Nella fase S avviene la duplicazione del DNA, ciò significa che da una elica ne verranno prodotte due doppie. La doppia elica si apre, ognuno dei due filamenti fa da stampo per i nuovi filamenti del DNA. Durante la fase S ogni cromosoma viene duplicato e ogni copia completa (cromatide – un solo bastoncino del cromosoma) resta unita all’altra per la zona centrale del centromero sino alla fase M. Alla fine della mitosi si avranno 2 cromosomi identici divisi. Ciascun cromatide contiene una delle due molecole di DNA generate nella fase S di replicazione del DNA. → La replicazione del DNA è detta semiconservativa, perché utilizza un meccanismo che permette di utilizzare i filamenti vecchi per produrne altri nuovi. Per questo motivo i cromosomi figli saranno identici tra loro e al cromosoma iniziale, ma saranno molecolarmente ibridi tra il filamento nuovo e quello vecchio. 33 Meccanismo di replicazione del DNA All’inizio per dividere la doppia elica viene usato un enzima detto DNA elicasi che permette di srotolare la doppia elica. I singoli filamenti appena aperti vengono legati da delle proteine, che formando delle bolle, permettono di stabilizzare i filamenti in modo da tenere la struttura aperta. Davanti all’elicasi si crea un problema, perché per aprire la doppia elica nella regione a valle si crea un super avvolgimento. Grazie all’enzima topoisomerasi rilassa il superavvolgimento. La DNA polimerasi è un enzima che sintetizza un nuovo filamento di DNA che utilizza come stampo un filamento di DNA vecchio. Essa non può partire da zero, ma ha bisogno di un innesco (es. un nucleotide). Questi innesco viene prodotto dall’enzima primasi, che crea un piccolo RNA, chiamato primer, così che la DNA polimerasi riesca a sintetizzare il nuovo filamento. La DNA polimerasi sintetizza il nuovo filamento in direzione 5’-3’, dal filamento stampo 3’-5’; mentre il filamento parallelo (5’-3’) usato da stampo per l’altro filamento, non può essere sintetizzato in modo continuo perché la DNA polimerasi agisce sono in direzione 5’-3’ e in questo filamento deve andare nel senso opposto della forcella di replicazione. La DNA polimerasi, associata ad un primer sintetizzerà il filamento 5’-3’ in piccoli frammenti, chiamati “frammenti di Okazaki”. Questo processo è molto lento e il filamento viene chiamato filamento lento, (ritardato), mentre il filamento veloce viene chiamato filamento guida (anticipato). Successivamente bisogna rimuovere gli inneschi utilizzati nella sintesi e ciò avviene grazie ad un enzima che digerisce i primer (l’innesco). Così i frammenti di Okazaki sono separati tra di loro, grazie all’enzima DNA ligasi, i frammenti adiacenti vengono uniti formando legami covalenti fosfodiesterici. 34 Problema direzione della sintesi del DNA rispetto alla direzione di apertura dell’elica I due filamenti nella doppia elica del DNA hanno polarità opposta. Le DNA polimerasi catalizzano l’addizione di nucleotidi solo all’estremità 3′-OH del filamento stampo, così che il filamento può crescere soltanto nella direzione 5′—>3′. Quindi un’elica crescerà in modo continuo, nella direzione di srotolamento dell’elica stampo, mentre l’elica opposta deve crescere in senso contrario rispetto all’apertura dell’elica. Problemi nella replicazione del DNA Vi sono diversi problemi durante la replicazione del DNA tra cui: il DNA è una doppia elica, per avere lo stampo da copiare occorre aprirla per questo viene usata una proteina iniziatrice e la DNA elicasi; l’apertura dell’elica provoca un superavvolgimento, per scioglierlo si usa la topoisomerasi; deve essere sintetizzata una nuova elica di DNA grazie alla DNA polimerasi III; la DNA polimerasi ha bisogno di un innesco, che viene sintetizzato dall’enzima primasi; vi è la rimozione degli inneschi di RNA e la sintesi dei frammenti da parte della DNA polimerasi; vi è l’unione dei vari frammenti di Okazaki da parte dell’enzima ligasi. FASE G2 La fase G2 è una fase preparatoria alla successiva mitosi, vengono preparati dei materiali che serviranno nel processo FASE M LA MITOSI La mitosi è un meccanismo di suddivisione della cellula che ha il compito di dividere il materiale genetico appena formato in due cellule figlie identiche tra loro e alla madre. È un processo di divisione nucleare in cui i cromosomi duplicati vengono separati gli uni dagli altri fedelmente, per dare origine a due nuclei ognuno con una copia di ciascun cromosoma. → La mitosi è un divisione equazionale. 35 → Le due cellule figlie generate sono geneticamente uguali fra di loro e geneticamente uguali alla cellula madre. → Durante la mitosi la maggior parte delle attività metaboliche sono ridotte e le cellule non rispondono agli stimoli esterni. La mitosi è in genere associata alla citochinesi, questo è un processo che comporta la divisione del citoplasma in due parti più o meno uguali. La mitosi è suddivisa in 6 fasi: 1. PROFASE, inizio della mitosi, il DNA si spiralizza e si condensa, viene distrutta la membrana nucleare e comincia a nascere una struttura formata da microtubuli (formati da microtubulina), questa struttura è detta fuso mitotico, ed è una rete che va da una parte all’altra della cellula. 2. PROMETAFASE, la membrana nucleare è completamente frammentata; il fuso mitotico cattura i cromosomi. 3. METAFASE, i cromosomi sono allineati al centro del fuso, i cromatidi costituenti i cromosomi devono essere agganciati da un microtubulo, in modo da dividersi (uno a destra e uno a sinistra). 4. ANAFASE, i cromosomi vengono separati e tirati verso i poli opposti. 5. TELOFASE, si formano nuove membrane nucleari introno ai due nuovi nuclei. 6. CITOCHINESI, le due cellule figlie si dividono. 36 CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE Dalla fase G1 alla fase S è un momento importante e viene regolato dagli stimoli esterni (es. segnali che dicono alla cellula di passare oltre al punto di restrizione). Questi stimoli esterni sono detti fattori di crescita e vengono ricevuti dalla cellula attraverso recettori. Fattori di crescita: sono molecole proteiche che stimolano la divisione e la crescita cellulare, questi agiscono attraverso l’interazione con recettori della membrana plasmatica, quindi agiscono solo su cellule bersaglio. Per innescare i cambiamenti che portano alla fase S e quelli che danno il via alla mitosi è fondamentale il ruolo delle chinasi ciclina-dipendenti (Cdk). Queste sono enzimi che catalizzano il passaggio di un gruppo fosfato da una molecola di ATP a una proteina, che viene fosforilata → la fosforilazione determina un cambiamento nella proteina, in tal modo può essere attivata o inattivata. Questi enzimi, attivati dalla fosforilazione, vanno a catalizzare specifiche reazione, in modo da permettere l’innesco dei processi cellulare che caratterizzano la fase S e la mitosi. L’attività di questi enzimi (chinasi) aumenta e diminuisce a seconda della fase del ciclo cellulare. L’attivazione di queste chinasi dipende dalle cicline. Le Cdk non sono sempre attive, ma possono essere attivate da delle molecole dette cicline, la loro concentrazione varia a seconda delle fasi del ciclo cellulare, prodotte dalla cellula e destinate a disgregarsi alla fine della loro azione. Esistono 4 tipi di cicline, una per ogni tipo di fase della cellula. Sono dei regolatori del ciclo cellulare. RIPRODUZIONE Esistono due tipi di riproduzione: 1. riproduzione asessuata, dove la progenie è geneticamente identica del genitore, che è unico; 2. riproduzione sessuata, questa richiede due genitori e la progenie risulta da un mescolamento del materiale genetico dei genitori. 37 I procarioti si riproducono asessualmente per fissione binaria → un singolo cromosoma, contenente tutti i geni: il cromosoma si replica, la cellula si divide in due. Gli eucarioti si possono riprodurre asessualmente o sessualmente. La riproduzione sessuata è più complessa e richiede maggior dispendio di risorse, diversificazione dei sessi, doppio corredo cromosomico, etc. etc. Questa ha diversi vantaggi come: rimescolamento del DNA, creare individui unici diversi dai genitori e questo permette di avere più possibilità di sopravvivenza nei cambiamenti. Avere 2 coppie di un gene entrambi i genitore protegge la progenie dall’effetto di mutazioni nocive. Vengono ricevute due coppie omologhe degli stessi geni ma in varianti diversi. Ereditano due copie di ogni cromosoma (cioè porta coppie degli stessi geni), una coppia paterna e una coppia materna. Gli eucarioti che si riproducono con riproduzione sessuata hanno un corredo cromosomico diploide. Se abbiamo due alleli identici, siamo omozigoti. Se abbiamo due alleli diversi, siamo eterozigoti. Hanno gli stessi geni ma possono esserci variazioni perchè un cromosoma deriva dalla madre e uno dal padre: possono quindi avere alleli diversi. MEIOSI La meiosi ha lo scopo di dimezzare il patrimonio genetico, questa riduce il contenuto genetico dei gametociti (2n), i quali andando incontro a meiosi danno origine ai gameti aploidi (n). In questo modo i genitori passano solo 23 cromatidi al figlio. Si ottengono delle cellule aploidi (23n) che si unisce ad un’altra cellula che va a formare un individuo aploide. 38 I gameti si dividono in: cellula uovo; spermatozoo. Processo Durante la meiosi I e II, da due cellule diploidi si andranno a formare 4 cellule aploidi, perché avvengono due 2 divisioni cellulari. Ognuna delle 4 aploidi che si formeranno avranno 23 cromosomi individuali e non 23 coppie di cromosomi → ciascuno di questi può essere o materno o paterno: assortimento casuale. Le 4 cellule quindi non sono identiche tra di loro → La meiosi I, come la mitosi, è preceduta dalla replicazione del DNA e dalla duplicazione dei cromosomi. → La meiosi riduce il numero di cromosomi da diploide ad aploide. Nella meiosi I ogni coppia di cromosomi omologhi si separa (ma sono ancora duplicati), i cromosomi duplicati vengono separati e formano 2 cellule. Nella meiosi II vengono separate le due coppie identiche di ogni cromosoma e si vengono a formare 4 cellule aploidi. 39 Assortimento indipendente Ognuno dei 4 gameti avrà un un assortimento di cromosomi diverso. Il numero di possibili gameti è 2n (n = numero di cromosomi omologhi) → se n=3, il numero dei possibili gameti è 23 = 8 Nell’uomo n=23 (2)23 = 8,4 milioni di possibili gameti Meiosi I: divisione riduzionale 1. PROFASE I: la replicazione del DNA precede l’inizio della meiosi I. Le coppie di cromosomi omologhi si appaiano e avviene il crossing over o ricombinazione genica (fonte di diversificazione genetica). In una coppia di cromosomi ciascun cromosoma deriva da un genitore. La ricombinazione avviene durante la profase I della meiosi, mediante crossing over, questo è un evento in cui i cromosomi omologhi si scambiano sequenze di DNA corrispondenti → può avvenire ovunque nel cromosoma → aumenta la variabilità genetica. 2. METAFASE I: i cromosomi sono allineati a coppie messi uno sopra l’altro, le coppie di cromosomi omologhi si allineano sulla piastra metafasica. L' orientamento è casuale, da ciascun lato può esserci qualsiasi omologo parentale. Ciò significa che le cellule figlie hanno la probabilità del 50% di ricevere sia l’omologo paterno che quello materno di ciascun cromosoma. 3. ANAFASE I: i cromosomi, ciascuno con due cromatidi, si muovono verso i poli opposti, mentre i cromatidi fratelli rimangono attaccati a livello del centromero 4. TELOFASE I: l' involucro nucleare si può riformare e scompare il fuso. Ciascuna cellula figlia è ora aploide (23 cromosomi), ma ciascun cromosoma ha due cromatidi e la cellula può iniziare rapidamente la meiosi II. Meiosi II: divisione equazionale La meiosi II produce gameti con una copia sola di ogni cromosoma, una copia di ogni gene → solo l’omologo di ciascun cromosoma è presente nella cellula. I cromatidi fratelli portano la stessa informazione genica 5. PROFASE II: si frammenta la membrana nucleare e si forma il fuso mitotico. 6. METAFASE II: i cromosomi si allineano lungo l’asse equatoriale della cellula. 7. ANAFASE II: i cromatidi fratelli si separano e sono portati al poli opposti della cellula. 8. TELOFASE II: si riassembla la membrana nucleare. I cromosomi si decondensano e il fuso sparisce. 40  9. La citocinesi divide le cellule in due, portando alla formazione di due cellule figlie. MITOSI MEIOSI Numero di divisioni 1 2 Numero di cellule figlie 2 4 Geneticamente identiche Si No numero cromosomi Stessi della cellula madre Metà delle cellula madre Dove Cellule somatiche Cellule germinali Quando Durante tutta la vita Alla maturità sessuale Ruolo Crescita e riparo Riproduzione 41 LEZIONE 4 GENOMA UMANO Per genoma si intende la totalità del DNA contenuto nella cellula. Il DNA è organizzato in uno o più molecole, dette cromosomi. Nei procarioti si ha un singolo cromosoma circolare, mentre negli eucarioti il DNA si hanno più cromosomi. Gli esseri umani hanno 23 coppie di cromosomi, quindi in totale l’uomo ha 46 cromosomi (genoma diploide), 23 ereditati dalla madre e 23 ereditati dal padre e si trovano a coppie di cromosomi omologhi, cioè simili. Il genoma è il luogo fisico in cui sono depositate le informazioni per la sintesi del RNA e proteine. Il DNA può essere più o meno lungo sia in base al numero di basi che compongono le informazioni sia in base al numero di geni. 42 Geni: sono blocco di informazioni genetiche che vengono trascritte dall’RNA polimerasi all’interno del genoma → La quantità di basi contenuta in una serie di 23 cromosomi è 3,3 miliardi. → Nel nostro DNA solo una piccola parte è costituita da geni. → In 3 miliardi di basi presenti nel nostro corpo, la maggior parte di queste vengono considerate DNA spazzatura, che quindi non esprime le caratteristiche (parte verde, 70%). Il resto è formato da geni (parte rossa e gialla, 30%) o sequenze correlate con i geni: sequenze del promotore (dove inizia la trascrizione di un gene), sequenze determinatore (dove finisce la trascrizione di un gene), sequenza regolatorie (servono per far funzionare i geni), introni. La porzione codificante delle proteine è formata solo dal 3%. I cromosomi si possono visualizzare durante la metafase della mitosi come corpuscoli molto condensati e si può notare una strozzatura detta centromero, che si trova più o meno al centro del cromosoma. Il centromero definisce due regioni del cromosoma, dette braccia, una più lunga dell’altra. Il braccio più corto del cromosoma è detto “p” e quello più lungo è detto “q” (questa informazione è utile quando si vuole fare una descrizione dal punto di vista citogenetico). I cromosomi sono molto compatti e questa proprietà permette loro di stare dentro il DNA. Il DNA se srotolato è lungo 2,2m, dunque per riuscire a rimanere dentro il nucleo deve essere compattato. Perciò, il DNA viene avvolto attraverso una serie di livelli di compattamento. 1. Avvolgimento della doppia elica del DNA su delle proteine, chiamata istoni, sopra le quali il DNA si avvolge come una cordicella. 43  Ogni istone è formato da 8 proteine istoniche, che formano un complesso che insieme al DNA è detto nucleosoma. 2. Tanti nucleosomi messi in fila costituiscono un filamento di cromatina. 3. Il filamento di cromatina a sua svolta di spiralizza a formare una fibra più spessa ma più corta. 4. La fibra spessa ma più corta a sua volta forma delle strutture di ripiegamento e ulteriormente spiralizzata. Questi passaggi portano alla formazione della struttura più condensata del cromosoma visibile nella metafase. DIFFERENZA DEI GENI TRA PROCARIORI E EUCARIOTI Nei procarioti non esistono gli introni, però ogni gene codifica per più proteine. Negli eucarioti ogni gene codifica per una singola proteina, quindi la loro funzione è quella di costruire il nostro organismo. I geni sono organizzati in corte sequenze di esoni (seq. codificanti) → andranno a specificare la proteina, alternati da lunghe sequenze di introni (dal punto di vista della sequenza amminoacidica finale non hanno alcun ruolo) → viene prodotto un mRNA primario → viene processato e forma un mRNA maturo. 44 Perché i geni eucarioti sono formati da esoni e introni? 1. Per la costruzione delle proteine → un gene formato da esoni e frammentato da introni sarà trascritto, dopodiché gli esoni verranno riassemblati nell’RNA maturo che poi verranno utilizzati per la sintesi proteica. Durante la trascrittura possono essere utilizzati tutti, pochi o alcuni esoni e in questo modo si possono creare delle varianti della proteina partendo dallo stesso gene; questo processo si chiama splincing alternativo. 2. Exon shuffling, cioè il rimescolamento degli esoni. A lungo andare i geni costituiti dai loro esoni possono essere andati incontro a scambi di DNA a causa di errori, questo però durante l’evoluzione ha comportato il mescolamento degli esoni e la creazione di nuovi geni. Nel caso in cui vengono create nuove sequenze il processo sarebbe molto più lungo e complicato, mentre lo spostamento di porzioni risulta più semplice e veloce. Partendo da un gene ancestrale (primitivo) si formano due geni identici. Dalle due cellule figlie si formano due linee genetiche diverse, nella quale una presente una variazione genetica → alla fine del processo si ottengono tre geni diversi ma parenti. Famiglie geniche L’emoglobina è una proteina formata da 4 subunità diverse (due subunità alfa e due beta), queste catene derivano da un gene ancestrale. Ognuno dei due geni è andato incontro a duplicazioni. Ad oggi dall’antenato alfa comune esistono 7 geni per l’alfa e dall’antenato comune beta esistono 6 geni per beta. Questo è utile perché nel feto perché il legame dell’emoglobina è diverso da quello nell’adulto perché ha più affinità con l’ossigeno permettendo al sangue fetale di catturare l’ossigeno dal sangue materno. Dopo la nascita c’è uno switch del legame gamma costruendo quelli beta. 45 MUTAZIONI Le mutazioni sono cambiamenti della sequenza nucleotidica del DNA genomico che poi vengono trasmessi alla progenie. Il cambiamento della sequenza del gene implica un cambiamento dell’mRNA e di conseguenza nella sequenza amminoacidica della proteina, portando ad un’alterazione del fenotipo. MUTAZIONI SOMATICHE vs GERMINALI Una mutazione nelle cellule somatiche avrà una conseguenza solo per la cellula che subisce la mutazione e la sua discendenza. La mutazione rimane confinata dove è avvenuta la prima volta. Una mutazione nella linea germinale (mutazione nella cellula uovo o negli spermatozoi) viene trasmessa alla progenie. Le mutazioni possono interessare: un singolo nucleotide, prendono il nome di mutazione puntiforme; più nucleotidi. Esistono diversi tipi di mutazione: SOSTITUZIONE DI BASI NUCLEOTIDICHE DEL DNA, ha conseguenze solo sull’aa in cui avviene la mutazione; INSERZIONI, cioè aggiunta di uno o più nucleotidi nel cromosoma; DELEZIONE, cioè eliminazione di uno o più nucleotidi nel cromosoma; 46  ANEUPLOIDIA, cioè alterazione del numero dei cromosomi. → Inserzione e delezione possono portare a sfalsamento del modulo di lettura (frameshift). Sostituzione di basi La sostituzione di basi può causare diverse tipologie di mutazioni: mutazione missenso, dove l’aa inziale di una tripletta non si trova più lì e al suo posto ce ne è un altro, quindi, si avrà anche una nuova tripletta; mutazione nonsenso, dove vi è la codifica di un codone di STOP che ferma la sintesi proteica; mutazione silente, dove la sequenza amminoacidica non subisce mutazioni. Frameshift Es. se si perdono tre nucleotidi, che corrispondono ad una tripletta, si avrà una delezione dell’aa della proteina finale, mentre se si perde un solo nucleotide si avrà una lettura diversa della sequenza e la proteina perde la sua funzione. Quindi nel caso si abbia un’aggiunta o una perdita di 3 basi, o multiplo di 3, non si ha l’alterazione della sequenza proteica. In caso contrario si va incontro a frameshift e si ha un’alterazione anche della funzione della proteina. Da cosa sono causate le mutazioni? Le mutazioni possono essere causate da due fattori: errori casuali, dovuti al RNA polimerasi durante la replicazione del DNA; danni ambientali, agenti chimici o fisici danneggiano le basi del DNA Se i cambiamenti non vengono corretti, questi possono interferire con le funzioni della cellula e propagare le mutazioni alla progenie. → Le cellule hanno dei meccanismi di riparo che possono aiutarci a minimizzare i danni. L'errore di replicazione è dovuto all’RNA polimerasi (si usa nella trascrizione non nella duplicazione, li si una la DNA polimerasi), ovvero un errore di incorporazione durante la duplicazione del DNA. Questo perché il 47 frammento di DNA deve essere duplicato e quindi la doppia elica verrà aperta e verranno sintetizzati i due filamenti nuovi. Può capitare che la l’RNA polimerasi incorpori una base azotata sbagliata rispetto a quella che si deve accoppiare allo stampo, di conseguenza, una delle due cellule figlie avrà un appaiamento errato (mismatch). Normalmente il nuovo frammento errato si accorge che le basi non sono complementari in quanto non si forma un buon legame a idrogeno, in caso l’errore non venisse riparato nella successiva duplicazione del DNA creerà una cellula mutante, che dal suo punto di vista avrà una sequenza corretta che però è mutata rispetto all’originale. → Per quanto riguarda i danni indotti dall’ambiente possono essere evitati (es. evitando di esporre la cute ad una radiazione ultravioletta intensa o esporre le cellule del polmone al fumo di sigaretta). TIPI DI DANNI AL DNA Danni alla SINGOLA BASE, quando la base viene modificata chimicamente e porta a una mutazione puntiforme. Danni alla COPPIA DI BASI, quando vi è la formazione di legami covalenti tra basi adiacenti e causano l’impedimento fisico alla replicazione o trascrizione. Danni a MOLTE BASI, quando vi è la perdita o l’inserimento di basi adiacenti che portano a delezioni o inserzioni di una serie più o meno lunga di basi. Danni STRUTTURALI, questi implicano la rottura dello scheletro della singola elica o doppia elica, oppure causano cross-linking, quando le due eliche si incastrano tra loro, portano al blocco della replicazione e della trascrizione 48 Meccanismi di riparazione dei danni Esistono diversi meccanismi di riparazione dei danni al DNA: RIPARO DIRETTO, questo è tipico per i dimeri di timina, la cellula manda un enzima che stacca le due timine; BASE EXCISION REAPIR (BER), rimozione della base; NUCLEOTIDE EXCISION REPAIR (NER), rimozione del nucleotide; DUBLE-STRAND BREAK REPAIR, questo riguarda la struttura del DNA in cui si rompe il legame zucchero-fosfato che forma la doppia elica, in questi casi (cioè rottura di entrambe le eliche), la cellula può prendere le due estremità e riaccollarle insieme, anche se questo può causare mutazioni, oppure rincolla le due estremità rotte → prima di questo la cellula controlla come è fatto il cromosoma omologo che è più preciso e si otterrà un cromosoma intero ma avrà qualche nucleotide identico all’altro cromosoma. Ricombinazione non omologa Ricombinazione omologa Conseguenze delle mutazioni La cellula non funziona come all’inizio. Es. la beta cetenina è importante per indurre la mitosi nelle cellule staminali del colon. Nelle cellule staminali questa proteina è attiva perché le cellule devono dividersi per mitosi in modo da rimpiazzare le cellule morte dell’intestino. Le cellule staminali del colon ricevono dall’esterno un segnale che attiva la beta catenina. Nelle cellule differenziate del colon questo 49 meccanismo viene spento perché le cellule del colon che vanno in superficie non ricevono il segnale e degradano la proteina beta ceteina e quindi il programma che portava alla mitosi viene spento e le cellule non si dividono. È possibile che si possa riattivare questo processo grazie alla mutazione puntiforme della beta catenina, quindi la sostituzione di un aa che impedisce alla cellula di degradare la beta cetenina, portando alla formazione di un tumore. Es. mutazione aneuplodia La sindrome di down è dovuta a una a due cromosomi omologhi che si appaiano in meiosi che non si separano correttamente durante la meiosi I. Questi finiscono entrambe in una delle due cellule ottenendo, che in una delle quattro cellule, ci sarà un doppio corredo cromosomico, la stessa cosa può avvenire quando non si ha la disgiunzione nella meiosi II. Es. mutazione nonsenso Ci sono diversi tipi di mutazioni che portano ad anemia, ad esempio la mutazione no senso nel gene della beta globina, dove la proteina anziché avere 146 aa, è mutata e ha solo 38 aa che portano ad un malfunzionamento della proteina. 50 MOTORE DELL’EVOLUZIONE Le mutazioni ci hanno portato ad essere ciò che siamo oggi, e sono anche la base per cui siamo tutti diversi. Le mutazioni generano i polimorfismi del DNA (cioè due o più fenotipi). Un locus, cioè le posizioni dei geni, presenta nella popolazione normale varianti alleliche a frequenze >1% è considerato polimorfico. Il numero di polimorfismi è 1 bp/1000 bp. Quindi 3 x106 coppie di basi sono differenti in genomi di individui diversi. La coppia di cromosomi omologhi porta copie degli stessi geni. Hanno gli stessi geni ma possono esserci variazioni perché un cromosoma deriva dalla madre e uno dal padre: possono quindi avere alleli diversi. Ogni individuo ha 2 alleli, ma nella popolazione ne esistono infiniti che vengono rimescolati grazie alle leggi di Mendel. Le leggi di Mendel sono alla base di tutti i meccanismi di riproduzione sessuale degli organismi diploidi e aiutano a ricostruire la familiarità quando vengono studiate le malattie. Queste leggi sono importanti, anche, perché aiutano a fare studi di genetica sulle popolazioni per capirne la genealogia tra popolazioni diverse ma anche per capire come variano le frequenze alleliche all’interno di una popolazione. In una popolazione abbastanza grande se non avvengono variazioni gravi si dice che la frequenza degli alleli è in equilibrio. 51 L'evoluzione si basa sulle mutazioni e sulla selezione delle mutazioni, ovvero l’ambiente sceglie quali caratteri/alleli avranno maggiore probabilità di venire trasmetti alla progenie. Le mutazioni che sono totalmente casuali (errori nella duplicazione o danni non riparati nel DNA) creano diversità genetica che di conseguenza creano nuovi caratteri entro i quali la selezione naturale (determinata dall’ambiente) può scegliere quelli più adatti, ovvero chi porta più caratteri favorevoli ha maggiore probabilità di sopravvivenza e ha più probabilità di riprodursi. → Il termine FITNESS viene utilizzato per indicare quanto un individuo è adattato all’ambiente. Ci sono geni che si espandono e geni che si estinguono. Come? Es. se ci dovesse essere una malattia alla quale gli individui gialli non resistono, l’intera popolazione gialla scomparirebbe. Se però ci dovesse essere stata una mutazione per errore o per danno, sarebbe potuta vivere solo la popolazione mutata, di conseguenza la nuova popolazione sarebbe formata solo dalla parte verde. La speciazione (separazione di due specie) è una barriera fisica separa due popolazioni e si creano due ambienti diversi. Le due popolazioni devono quindi evolversi indipendentemente fino a diventare specie diverse che non si possono più rincrociare. Il modello di evoluzione è ramificato. Le specie attuali non derivano una dall’altra (es. uomo e scimmia erano la stessa cosa e poi si sono separati e poi evoluti), anche se hanno antenati comuni. Specie con più ramificazioni sono più lontane dall’antenato comune. 52 VIRUS È un organismo parassita obbligato, cioè ha bisogno di un altro essere vivente che gli fornisca tutti i meccanismi di replicazione → si replica esclusivamente all'interno delle cellule di altri organismi. I virus possono infettare tutti i tipi di cellule (animali, piante, batteri e archeobatteri). → Il virus rappresentato a destra è un tipico virus che infetta cellule animali. Il virus rappresentato si chiama batteriofago, ed è un tipico virus che infetta le cellule vegetali. Ha un capside costituito da proteine, all’interno del quale è contenuto il genoma. Possiede ulteriori strutture proteiche utilizzata per iniettare il DNA all’interno della cellula ospite. Ciclo vitale di un batteriofago (ciclo litico) Il fago aggancia la parete di un batterio, inietta il proprio DNA all’interno del batterio, il batterio non si rende conto che il DNA inserito è estraneo e lo trascrive e traduce come se facesse parte del proprio genoma. Così produce le proteine necessarie per ricostituire il capside e tutte le strutture del virione, il quale fa duplicare il proprio DNA, dalla DNA polimerasi del batterio. Infine, riassembla le proteine nel batterio e quando diventano troppe per essere contenute all’interno del batterio questo esplode, liberando un nuovo virus che andrà ad infettare una nuova cellula. Ciclo lisogeno Alcuni virus in certe condizioni invece di eseguire il ciclo litico iniettano il loro DNA in una cellula e questo si integra nel cromosoma batterico, il batterio si riproduce e in questo modo duplica anche il genoma virale. Facendo ciò una singola cellula infettata può creare una popolazione di migliaia di cellule infettate lasciando il DNA dormiente all’interno del cromosoma fino a quando questo si risveglia ed esce dal cromosoma, riprendendo il ciclo litico. 53 I virus animali possono avere genoma a RNA o a DNA a singolo o a doppio filamento. Alcuni virus a RNA, per riprodursi lo fanno tradurre in DNA, altri invece lo utilizzano come se fosse mRNA. Alcuni dei virus eucarioti non solo hanno un capside ma hanno anche una membrana lipidica che deriva dalla membrana della cellula ospite (es. coronavirus). Il coronavirus si fa inglobare per endocitosi all’interno della cellula ospite, induce il rilascio del proprio genoma nella cellula ospite e il proprio RNA viene utilizzato come messaggero per produrre le proteine del capside, così da produrne molte. La cellula infettata dal coronavirus continua a produrre tante copie dell’RNA virale trascrivendolo più volte. Tutte le copie in più vengono raccolti nei capsidi proteici che la cellula ha prodotto ed escono dalla cellula portandosi un pezzo della membrana. Il virus dell’HIV possiede il genoma virale e possiede la trascrittasi inversa, che trascrive l’RNA a DNA, questa si integra nel nostro genoma e fa parte dei nostri cromosomi da lì le sequenze virali dirigono la sintesi dei nuovi RNA virali e la sintesi delle nuove proteine virali. 54