Biologia-Unito-Compresso PDF

Cos’è la biologia? biologìa s. f. [dal greco βιολογία, composto da βίος, bìos = "vita" e λόγος, lògos = "studio“, il termine è stato coniato dal naturalista ted. G. R. Treviranus (ted. Biologie) nel 1802, e nello stesso anno, forse indipendentemente da lui, usato anche dal naturalista fr. J.-B. Lamarck (fr. biologie)]. – L’insieme delle scienze che hanno per oggetto la vita degli animali e delle piante; con questo sign. più ampio, è denominata anche b. generale, e comprende in sé varie discipline, tra le quali soprattutto la zoologia, che riguarda gli animali, e la botanica, che riguarda le piante; in base poi agli aspetti secondo i quali l’organismo è studiato, si suddivide in varî rami, quali la morfologia, la fisiologia, la genetica, la patologia, secondo che si considerino la forma, o la funzione, o i fenomeni ereditari, oppure le condizioni anormali dell’organismo. Cos’è la biologia? Nonostante l'elevata complessità della disciplina, vi sono alcuni concetti unificanti all'interno di essa che ne regolano lo studio e la ricerca: la biologia riconosce infatti la cellula come l'unità di base della vita, i geni come la struttura di base dell'ereditarietà e l'evoluzione darwiniana per selezione naturale come il processo che regola la nascita e l'estinzione delle specie. Tutti gli organismi viventi, sia unicellulari che pluricellulari, sono sistemi aperti che sopravvivono trasformando l'energia. Il termine cellula Fu proposto da Robert Hooke (1665), un fisico inglese ma anche naturalista del XVII secolo, osservando una fettina sottile di sughero con un microscopio rudimentale. Osservò diverse file di celle, ben delimitate, simili a quelle di un alveare, che gli ricordavano le piccole celle di un convento o di una prigione: “cellette”, da cui la denominazione di CELLULA. Teoria cellulare La teoria cellulare afferma che: Tutti gli organismi consistono di una o più cellule. La cellula è l’unità di base della struttura di tutti gli organismi (Ogni cellula è un'unità organizzativa e autonoma) Tutte le cellule originano da cellule preesistenti Teoria cellulare Teoria cellulare Le cellule che costituiscono gli organismi viventi sono di 2 tipi Cellula EUCARIOTA Cellula PROCARIOTA Le dimensioni delle strutture viventi 1 millimetro = 10-3 metri 1 micrometro = 10-6 metri CELLULE 1 nanometro = 10-9 metri 1-100 μm Organizzazione gerarchica in biologia Atomi - le più piccole parti di una sostanza che ne conservano le proprietà Molecole - due o più atomi legati tra loro (livello 1) Macromolecole - più molecole legate tra loro: lipidi, carboidrati, proteine, acidi nucleici (livello 2) Aggregati molecolari - organelli e citoplasma, componenti delle cellule (livello 3) Cellule - più piccola unità vivente (livello 4) …ad ogni livello si ottengono nuove proprietà date dall’unione degli elementi del livello inferiore Organizzazione gerarchica in biologia Le caratteristiche degli organismi viventi: Cellula: più piccola unità individuale in grado di vivere Metabolismo Omeostasi Accrescimento-sviluppo Riproduzione-eredità Rispondono agli stimoli Adattamento e Evoluzione Organizzazione gerarchica negli organismi pluricellulari La vita ha bisogno di un continuo apporto di energia Tutti gli organismi per crescere e riprodursi hanno bisogno di energia, così ogni cellula acquisisce continuamente nutrimento. Tutti i processi chimici e le trasformazioni energetiche che avvengono all’interno delle cellule prendono il nome di metabolismo Il flusso di energia attraverso gli ecosistemi Il flusso di energia attraverso gli ecosistemi Esempio di ecosistema Come i singoli individui anche gli ecosistemi dipendono da un continuo flusso di energia. Un ecosistema autosufficiente è costituito da tre tipi di organismi dipendenti gli uni dagli altri: 1) Produttori 2) Consumatori 3) Decompositori Sulla base di diversi parametri gli organismi si dividono in: Numero di cellule da cui sono formati: Unicellulari Pluricellulari Tipo di energia sfruttata Fototrofi (energia luminosa) Chemiotrofi (energia chimica) Tipo di metabolismo (fonte di C) Autotrofi (CO2) Eterotrofi (composti organici) Sulla base della loro dipendenza dall’ossigeno Anaerobi Aerobi (non necessitano di O2) (necessitano di O2) Gli organismi viventi: 1. Unicellulari 2. Pluricellulari: individui costituiti da molte cellule specializzate Classificazione degli esseri viventi La classificazione degli organismi rispecchia l’evoluzione I Domini ed i Regni della Vita La classificazione degli organismi rispecchia l’evoluzione Classificazione gerarchica dei viventi Le basi chimiche della vita Elementi chimici che costituiscono il mondo vivente Ossigeno 65% Carbonio 18,5% Idrogeno 9,5% Azoto 3,3% Le basi chimiche della vita Carica positiva Carica neutra Carica negativa Atomi: i costituenti della materia La tavola periodica degli elementi Gli atomi si combinano in molecole che danno luogo a composti chimici Tipo di legami chimici e interazioni: 1) Covalente: condivisione di elettroni 2) Ionico: un atomo cede un elettrone ed uno lo acquista 3) Legami deboli: interazione tra l’idrogeno ed un atomo elettronegativo 4) Interazioni Idrofobiche: tra molecole apolari Legame covalente Esempi di molecole Campbell – Biologia e genetica © 28 Pearson Italia S.p.A. Legame covalente Legame covalente puro Legame covalente polare Legame covalente polare Legame a idrogeno Il legame a idrogeno viene indicato con una linea tratteggiata che unisce l'idrogeno di una molecola con l'elemento fortemente elettronegativo (F, N, O) dell'altra molecola. L'elettronegatività è una grandezza che caratterizza il potere di attrazione di un atomo nei confronti degli elettroni del legame con un altro atomo Legame ionico Legami deboli interazioni elettrostatiche come le forze di van der Waals, vere e proprie forze elettrostatiche che si formano in maniera temporanea data la grande mobilita’ degli elettroni. le interazioni idrofobiche che si instaurano solo per il semplice motivo che le molecole apolari, per evitare il contatto con l'acqua, si "ripiegano" su loro stesse L’ACQUA H2O Legame covalente L’acqua Molecola fondamentale per la vita: 70% del peso corporeo è costituito da acqua Solvente di tutte le reazioni biologiche Molecola POLARE Parziale carica positiva e parziale carica negativa Legame ad IDROGENO La tendenza dell’acqua a formare legami H la rende coesiva Il legame ad idrogeno fa si che l’acqua si presenti in 3 stati fisici: Liquido Solido Gassoso La sua polarità la rende un ottimo “solvente” Soluto polare (IDROFILO): solubile in acqua per formazione di legami ad idrogeno con le molecole di acqua Gruppi funzionali con i quali l’acqua forma legami ad idrogeno Soluto apolare (IDROFOBICO): non solubile in acqua in quanto non forma legami. In acqua tende a formare INTERAZIONI IDROFOBICHE La chimica del carbonio Il carbonio è il componente di tutti i composti organici Può formare 4 legami covalenti Proprietà dei gruppi funzionali Macromolecole Macromolecole e cellula Macromolecole Carboidrati Energia e Struttura Lipidi Energia e Struttura Proteine Funzioni Vitali Acidi Nucleici Informazione genetica Macromolecole Campbell – Biologia e genetica © 49 Pearson Italia S.p.A. Carboidrati Cn(H2O)n Monosaccaridi, Disaccaridi, Polisaccaridi Zuccheri, amidi, glicogeno: riserva energetica Cellulosa: componente strutturale della parete cellulare vegetale Molti OH e quindi “idrofili” Solubili in acqua Fruttosio Campbell – Biologia e genetica © 52 Pearson Italia S.p.A. Disaccaridi Legame glicosidico I disaccaridi sono costituiti da due unità monosaccaridiche Disaccaridi Campbell – Biologia e genetica © 54 Pearson Italia S.p.A. Polisaccaridi Campbell – Biologia e genetica © 55 Pearson Italia S.p.A. Polisaccaridi Campbell – Biologia e genetica © 56 Pearson Italia S.p.A. Polisaccaridi Campbell – Biologia e genetica © 57 Pearson Italia S.p.A. Lipidi Composti eterogenei insolubili in acqua, contengono meno O rispetto a C ed H 1-acidi grassi 2-trigliceridi 3-fosfolipidi 4-steroidi 5-carotenoidi Riserva energetica componenti strutturali delle membrane biologiche; alcuni sono ormoni Acidi grassi Gruppo carbossilico saturo insaturo Trigliceridi o triacigliceroli Campbell – Biologia e genetica © 60 Pearson Italia S.p.A. Trigliceridi o triacigliceroli Campbell – Biologia e genetica © 61 Pearson Italia S.p.A. Fosfolipidi Molecole anfipatiche Campbell – Biologia e genetica © 62 Pearson Italia S.p.A. Colesterolo Campbell – Biologia e genetica © 63 Pearson Italia S.p.A. Proteine Campbell – Biologia e genetica © 64 Pearson Italia S.p.A. Aminoacidi 20 tipi diversi Aminoacidi Campbell – Biologia e genetica © 66 Pearson Italia S.p.A. Campbell – Biologia e genetica © 67 Pearson Italia S.p.A. Proteine e struttura tridimensionale Proteina Nativa Acidi nucleici DNA: acido deossiribonucleico RNA: acido ribonucleico Campbell – Biologia e genetica © 69 Pearson Italia S.p.A. Struttura RNA e DNA Campbell – Biologia e genetica © 72 Pearson Italia S.p.A. Cellula Procariota ed Eucariota Strutture comuni: Membrana plasmatica Citoplasma Materiale genetico Ribosomi Cellula Procariota (pro:prima e kàryon:nucleo) 2 domini: Bacteria ed Archea Cellula Procariota Eubatteri Classificazione per morfologia - Cocchi, con forma sferica; - Bacilli, con forma cilindrica; - Vibrioni - spirilli: con forma ricurva o a spirale; -ed in base al modo in cui si aggregano fra di loro: - Diplococchi, disposti a due a due; - Streptococchi, disposti in catenelle; - Stafilococchi, disposti a grappolo Classificazione dei batteri sulla base della temperatura di crescita Eubatteri Classificazione per metabolismo Eubatteri Classificazione dei batteri in relazione all’ossigeno Batteri aerobi: utilizzano l’ossigeno per la respirazione Batteri anaerobi: non utilizzano l’ossigeno, compiono respirazione anaerobia. L’accettore finale di elettroni non è l’ossigeno ma molecole diverse (solfato, nitrato, ferro) Batteri aerobi facoltativi: se è disponibile possono usare l’ossigeno per la respirazione ma possono fare anche metabolismo anaerobio Eubatteri e uomo BATTERI SIMBIONTI Mutualismo Commensalismo parassitismo Eubatteri e uomo BATTERI PATOGENI Categoria Malattia Malattie a trasmissione sessuale Sifilide, gonorrea, clamidia. Malattie dell’apparato respiratorio Mal di gola da streptococco, scarlattina, tubercolosi, polmonite, morbo del legionario, pertosse, antrace (o carbonchio). Malattie della pelle Erisipela, foruncolosi, favo, impetigine, acne, infezioni di ferite chirurgiche o accidentali, lebbra (malattia di Hansen). Malattie dell’apparato digerente Gastroenteriti, avvelenamenti alimentari, dissenteria, colera, ulcera peptica, carie dentaria. Malattie del sistema nervoso Botulismo, tetano, lebbra, meningiti spinali. Malattie sistemiche Tularemia, malattia di Lyme. Eubatteri e uomo BATTERI IMPORTANTI PER LE ATTIVITA’ UMANE I batteri contribuiscono a riciclare i nutrienti derivati dalla decomposizione dei resti vegetali e animali, vengono utilizzati negli impianti di depurazione delle acque reflue e per il biorisanamento di suoli contaminati con sostanze inquinanti. Prima Dopo Impianto di depurazione delle acque reflue Biorisanamento Eubatteri importanti per l’uomo - Trasformazione dello zucchero ad alcool (fermentazione alcoolica: vino, birra, liquori) - Trasformazione dell’alcool ad acido (fermentazione acida: aceto, yogurt) -Produzione di sostanze utili all’organismo (vitamine: batteri endosimbionti intestinali) - Digestione della cellulosa (batteri endosimbionti intestinali) - Fotosintesi (cianobatteri) - Impiego in campo biotecnologico per la produzione di farmaci Membrana plasmatica Proteine e lipidi e carboidrati in tracce Non contiene steroli E’ sede del metabolismo energetico. E’ sede di proteine di trasporto, pompe ioniche ed enzimi Membrana plasmatica La parete cellulare: Peptidoglicano N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM). E’ costituita da peptidoglicano (mureina) N-acetilglucosamina (NAG) N-acetilmuramico (NAM) La parete conferisce protezione della membrana plasmatica dall’esterno e regola l'equilibrio idrico. La maggior parte dei batteri vive in mezzi ipotonici (= la concentrazione dell’acqua è maggiore all’esterno che all’interno della cellula). L’acqua entrerebbe fino ad uguagliare le concentrazioni interna ed esterna e la cellula si rigonfierebbe e scoppierebbe (“lisi osmotica”). La parete resiste alla pressione dell’acqua ed impedisce il rigonfiamento. Organizzazione del peptidoglicano DAP= acido diaminopimelico I ponti tra i vari filamenti di peptidoglicano si formano grazie al tetrapeptide, ma i legami crociati sono differenti in Gram- e Gram+: Nei Gram- il legame crociato si instaura tra il terzo amminoacido di un tetrapeptide e il quarto amminoacido di un tetrapeptide adiacente. Il legame crociato avviene direttamente senza elementi interposti. Nei Gram+ in legame crociato invece non è diretto. Tra l’aa 3 (cioè L-lisina) e l’aa 4 di un tetrapeptide adiacente si interpone un ponte pentaglicinico, che è una catena di 5 residui di glicina. Si dice che il legame crociato avviene in modo indiretto. La parete cellulare: Peptidoglicano Organizzazione del peptidoglicano Peptidoglicano e colorazione di Gram Nel 1884 il medico danese Hans Joachim Christian Gram mise a punto un metodo di colorazione che permette di distinguere i batteri in base alla quantità di peptidoglicano contenuto nella loro parete cellulare Gram + Gram - Colorazione di Gram Utilizza il colorante cristal violetto-iodio (violetto di genziana) per identificare il tipo di parete cellulare. Ricoprire il preparato fissato al calore con cristal-violetto per 1 minuto Bacilli Gram-positivi Cocchi Gram-positivi Tutte le cellule si coloreranno in viola Aggiungere soluzione iodata per 3 minuti Le cellule rimarranno viola Decolorare in alcol per circa 20 secondi Le cellule Gram-positive risulteranno viola, quelle Bacilli Gram-negativi Gram-negativi e positivi Gram-negative incolori Controcolorare con safranina per 1-2 minuti Le cellule Gram-positive (G+) risulteranno viola, quelle Gram-negative (G-) avranno una tonalità da rosa a rosso Peptidoglicano e colorazione Gram La parete cellulare dei batteri Gram-positivi e Gram- negativi contiene il peptidoglicano (o mureina) ma organizzato diversamente Gram-positivi Gram-negativi Colorazione di Gram Peptidoglicano e colorazione Gram Nel 1929 Alexander Fleming, un medico scozzese ricercatore presso il St. Mary's Hospital di Londra, scoprì la penicillina: la prima sostanza conosciuta e studiata capace di combattere i batteri e di sconfiggere malattie precedentemente mortali. La penicillina fu il capostipite di una famiglia di farmaci ad azione antibiotica Formula della penicillina La Penicillina funziona sui gram positivi perché blocca la sintesi dei legami crociati tra aa. Acido desossiribonucleico I procarioti contengono 1 o poche copie di DNA a doppia elica di forma circolare Plasmidi Molti batteri ospitano cromosomi circolari definiti plasmidi. Possiamo definirli plasmidi in quanto possiedono una propria origine di duplicazione (ori). I plasmidi si duplicano in contemporanea con il cromosoma principale e possono trasferirsi durante la coniugazione. Esistono diversi tipi di plasmidi: Fattori di fertilità o plasmidi F rendono possibile la coniugazione. Possiedono 25 geni tra cui quelli che codificano le proteine per i pili sessuali e il tubo di coniugazione. Un batterio che contiene tale plasmide è indicato con F+ e può trasferire una copia del plasmide a una cellula F- Plasmidi metabolici conferiscono capacità metaboliche alla cellula che li contengono. Alcuni batteri possono crescere sugli idrocarburi utilizzandoli come fonte di carbonio. Ciò avviene dato che i geni che codificano gli enzimi coinvolti nella demolizione degli idrocarburi si trovano sui plasmidi. Fattori di resistenza o plasmidi R, portano geni che codificano proteine capaci di demolire o alterare gli antibiotici. Ribosomi Non rivestito da membrana Costituito da proteine ed RNA Sede della sintesi delle Ribosomi 70S* (50S + 30S) (≠ ribosomi eucariotici: proteine 40S + 60S) I ribosomi hanno permesso di suddividere i procarioti in eubatteri ed archebatteri Strutture facoltative: Capsula: all'esterno della parete cellulare; fornisce protezione contro la fagocitosi, facilita adesione Flagelli o ciglia: sono appendici filiformi: movimento della cellula Pili o fimbrie: favoriscono il contatto tra batteri e tra batteri e superfici (adesione), permettono il trasferimento di informazioni genetiche da cellula a cellula Spore: forma di resistenza che consente al batterio di sopravvivere anche in un ambiente sfavorevole. Plasmidi: piccole molecole di DNA circolare che non contengono geni batterici. Flagello Endospore Bacillus anthracis Clostridium tetani Clostridium tetani Clostridium botulinum Il botulismo è una tossinfezione alimentare causata da una tossina termolabile prodotta dal batterio Clostridium botulinum. Clostridium botulinum (GRAM +) Forma bastoncellare; BOTULISMO >ALIMENTARE Mobile (flagelli); >DA FERITE Sporigeno; >DA INALAZIONE Anaerobio; Produce una tossina proteica in grado di causare la paralisi flaccida del botulismo nell’uomo e negli animali (neurotossina) La neurotossina botulinica viene sintetizzata all’interno della cellula batterica durante la crescita anaerobica, dopo che la germinazione delle spore è avvenuta. Tutte le neurotossine botuliniche sono di natura proteica e hanno strutture simili Riproduzione e trasferimento genetico Riproduzione asessuata per scissione binaria, gemmazione o frammentazione Possibilità di trasferimento orizzontale del materiale genetico: Trasferimento genico orizzontale: ✓ Trasformazione ✓ Trasduzione ✓ coniugazione Scissione binaria La scissione binaria è un meccanismo molto semplice che permette alla maggior parte dei batteri di duplicarsi in pochi minuti. Ad esempio, Escherichia coli può duplicarsi in circa venti minuti. Altri batteri possono riprodursi in tempi diversi. Genera due cellule figlie identiche tra di loro e alla cellula madre. Trasformazione La trasformazione è la ricombinazione che avviene quando un batterio acquisisce DNA libero dall’ambiente Trasduzione Trasduzione F+ F- La coniugazione è un processo che mette in contatto due batteri e il DNA del donatore passa al ricevente. Tale processo avviene con la comparsa di pili sessuali, ovvero un ponte citoplasmatico tra le due cellule definito tubo di coniugazione Popolazione F+ → Donatori Popolazione F- → Riceventi Archeobatteri GLI ARCHEI SONO ANAEROBI OBBLIGATI E VIVONO IN HABITAT ESTREMI -Termofili estremi: sono obbligati a temperature superiori a 55°C, a pH molto bassi (0.9, 2.0). -Metanogeni: producono metano per riduzione di CO2. -Alofili: vivono in ambienti estremamente salati. Archeobatteri Cellula Procariota (riassumendo………..) Parete cellulare : scheletro esterno che conferisce la forma al batterio e ne regola l'equilibrio idrico. Membrana citoplasmatica: ha una struttura analoga a quella delle cellule eucariote. Citoplasma: privo di organuli cellulari; solo ribosomi, gli organuli (privi di membrana) deputati alla sintesi delle proteine. Nucleoide: nella cellula batterica non è presente un nucleo vero e proprio; il materiale genetico (DNA di forma circolare), si trova immerso nel citoplasma. Riproduzione: asessuata, con possibilità di trasferimento genico orizzontale Cellula Procariota (riassumendo………..) Cellula Eucariota Eu ‘vero' e Karyon 'nucleo' La cellula eucariota è suddivisa in compartimenti (organuli) ciascuno separato dal resto della cellula almeno da una membrana selettivamente permeabile Cellula Eucariota animale Cellula Eucariota vegetale Rapporto superficie/volume Nucleo ✓ Organulo più rilevante ✓ Diametro medio 5µm ✓ Contiene DNA e RNA ✓ Contiene pori Nucleo INVOLUCRO NUCLEARE Nucleo Nucleo IL NUCLEOLO Sede della sintesi dei ribosomi Ribosomi Il ribosoma Non rivestito da membrana Costituito da proteine ed RNA Sintesi di proteine Sistema di endomembrane ✓ Reticolo endoplasmatico ✓ Complesso del Golgi ✓ Lisosomi ✓ Perossisomi ✓ Vacuoli ✓ Membrana plasmatica Si scambiano i materiali attraverso vescicole di trasporto Modificazione, indirizzamento ed esportazione di macromolecole (proteine, lipidi) Reticolo endoplasmatico R.E. liscio: Sede della sintesi dei lipidi, degli ormoni steroidei, del metabolismo dei carboidrati e della detossificazione dai farmaci; omeostasi cellulare del Ca++ R.E. ruvido: Sede della sintesi di proteine destinate alla membrana o alla secrezione. Modificazione chimica delle proteine: soprattutto glicosilazione (glicoproteine) Reticolo endoplasmatico ruvido (RER) Sede della sintesi di proteine destinate all membrana plasmatica, membrane degli organelli del Sistema di Endomembrane o alla secrezione. Modificazione chimica delle proteine: principalmente glicosilazione Complesso del Golgi Modificazione delle glicoproteine, dei glicolipidi e dei fosfolipidi tra cui gli sfingolipidi. Lisosomi dal greco “lisis”, scioglimento Contengono “enzimi” litici Funzioni digestive Difesa cellulare I lisosomi si originano dal Golgi Malattie lisosomiali ereditarie Materiale prevalentemente Malattia Deficit enzimatico accumulato M. di Gaucher Glucorebroside Glucorebrosidasi M. di Niemann-Pick Sfingomielina Sfingomielinasi Leucodistrofia Galattocerebroside Galattocerebrosidasi globoide Leucodistrofia Sulfatide Aril-sulfatasi A metacromatica M. Di Fabry Globotriaosilceramide Alfa-galttosidasi A Pentaesosilfuco- Fucosidosi Alfa-fucosidasi glicolipide M. Di Farber Ceramide Ceramidasi Gangliosidosi GM1 ganglioside: beta Ganglioside GM1 generalizzata galattosidasi M. Di Tay-Sachs Ganglioside GM2 Esosaminidasi A Ganglioside GM2 M. Di Sandhoff Esosaminidasi A e B Tutti questi sistemi lavorano in sinergia Mitocondrio Grandezza di circa 2-8 μm. Presenti nelle cellule animali e vegetali Mitocondrio MEMBRANA ESTERNA: costituita da fosfolipidi simili alla membrana plasmatica e ricca di porine. MEMBRANA INTERNA: costituita da un fosfolipide inusuale chiamato cardiolipina. La membrana interna è impermeabile alla maggior parte di ioni e molecole. (difosfatidil‐glicerolo) Mitocondrio Mitocondrio E’ la sede del metabolismo energetico della cellula Produzione di Energia sotto forma di molecole di Adenosina trifosfato (ATP) Respirazione cellulare aerobia C6H1206+ 6O2+6H20 6CO2+12H20+ ENERGIA (ATP) citoplasma mitocondrio Mitocondrio Le cellule che hanno un elevato bisogno di energia hanno un numero elevato di mitocondri (qualche migliaio per cellula). Si presentano come una fitta rete (verde) dovuta all’unione di piu’ mitocondri. Mitocondrio Non solo metabolismo energetico…………… Produzione dei radicali liberi dell’ossigeno (ROS) Sede della … Apoptosi Morte cellulare programmata (Apoptosi) Mitocondrio e Morte cellulare Mitocondrio Sono ‘organuli semi-autonomi’ Presenza di DNA circolare (mtDNA) Molecole di RNA Ribosomi Parte delle proteine mitocondriali sono di origine nucleare Mitocondrio DNA è funzionale! Geni per proteine Geni per RNA del complesso ribosomiale respiratorio Geni per proteine di trasporto o di Geni per RNA di regolazione trasferimento Geni per proteine ribosomiali Mitocondrio Si riproducono per ‘scissione’ Malattie mitocondriali Patologie come la malattia di Parkinson e la malattia di Alzheimer possono essere correlate a mutazioni del DNA mitocondriale. Perossisomi Organuli rivestiti da membrana ricchi di enzimi in grado di trasferire idrogeno da vari composti a O2. Durante queste reazioni si forma H2O2 Decomposizione del perossido d’idrogeno (H2O2) altamente tossico per la cellula. Abbondanti nelle cellule del fegato dove detossificano molecole dannose come l’alcol. Degradazione ossidativa degli acidi grassi Citoscheletro Rete intricata di filamenti proteici che si estende per tutto il citoplasma delle cellule eucariote. Funzioni: 1. Forma e sostegno alla cellula 2. Posizione degli organuli 3. Movimento organuli, fagocitosi, citochinesi 4. Movimento della cellula 5. Adesione cellulare 6. Trasmissione segnali Citoscheletro ◼ Movimento cellulare ◼ Variazioni della forma ◼ Architettura ◼ Movimento degli organuli ◼ Movimento cellulare ◼ Forma ◼ Vescicole-cromosomi ◼ Contrazione ◼ Connessioni tra cellule ◼ Sistemi giunzionali Microtubuli Polimeri di TUBULINA (α-tubulina e β-tubulina). Presentano una polarità Formazione dei Microtubuli La formazione dei microtubuli avviene in un area denominata MTOC o centro organizzatore dei microtubuli. I microtubuli sono polarizzati con una parte negativa a crescita lenta e una parte positiva a crescita rapida. La porzione negativa è collegata con il MTOC. Formazione dei Microtubuli: Centrosoma Molte cellule nell’interfase hanno un MTOC chiamato centrosoma localizzato vicino al nucleo e associato con due centrioli circondati da materiale pericentriolare Il centriolo è una struttura cilindrica presente nel citoplasma (in prossimità del nucleo) delle cellule animali, in alcuni funghi, alghe e in alcune piante. Un centriolo è formato da nove triplette di microtubuli, ossia catene di tubulina alfa e beta che si uniscono a formare foglietti di protofilamenti, ripiegati su sé stessi. Microtubuli: Centrioli I CENTRIOLI sono organelli presenti nel citoplasma in coppia, sono strutture cave. Costituiti da 9 triplette di microtubuli. I centrioli solitamente, sono disposti tra di loro a formare un angolo di 90°. I centrioli sono coinvolti nella formazione del fuso mitotico Microtubuli durante la Mitosi Citoscheletro Microtubuli: Ciglia: Flagelli: Corte proiezioni Lunghe proiezioni Movimento Locomozione Le ciglia (al singolare, ciglio) sono strutture brevi (2-10 μm). I flagelli sono appendici più lunghe (200 μm). Microtubuli: Flagelli e Ciglia Sono appendici cilindriche e mobili del citoplasma circondate da membrana plasmatica. Sono costituiti da microtubuli. Si organizzano in un assonema avente struttura 9+2 e in un corpo basale con struttura 9+0. Negli animali svolgono ruoli cruciali lungo il tratto respiratorio e riproduttivo ASSONEMA Citoscheletro Microtubuli: Microfilamenti Sono polimeri di una proteina monomerica globulare: l’actina. Si distinguono: G-actina (monomerica) e F-actina (polimerica). Miosina Rappresentazione schematica della molecola di miosina che ha una lunga coda alla quale sono attaccate due grosse teste. Nelle cellule dei muscoli molte molecole di miosina sono intrecciate mediante le code per dare un filamento dal quale si protendono le teste. Queste si attaccano ad altri filamenti paralleli costituiti da molecole di actina. Questi filamenti, che sono in grado di scorrere uno sull’altro, sono alla base del movimento muscolare Miosina e actina Microfilamenti: Sistema actina-miosina Contrazione muscolare Divisione cellulare Movimento cellulare Citoscheletro Microfilamenti: ruolo strutturale Microvilli Citoscheletro Filamenti intermedi Dimensioni intermedie rispetto a microfilamenti e microtubuli Formano una solida rete nel citoplasma Si ancorano alla membrana plasmatica al livello di salde giunzioni tra cellule adiacenti Filamenti Intermedi Sono tessuto specifici Riassumendo…….. Riassumendo…….. Cellula Eucariota vegetale Parete cellulare Vacuolo Nei vacuoli delle piante vengono accumulate sostanze di riserva (acqua, zuccheri, sali); essi hanno inoltre funzione di sostegno mantenendo il turgore. Cloroplasto SEDE DELLA FOTOSINTESI Organuli ‘semi-autonomi’ Radiazione luminosa + CO2+ H2O (zuccheri) + O2 Cloroplasto FASE LUMINOSA Cloroplasto FASE OSCURA Cloroplasto e Mitocondrio Giunzioni cellulari In un organismo pluricellulare le cellule si uniscono per formare i tessuti. Le cellule vegetali sono connesse tra loro tramite sottili canali, i plasmodesmi. Essi consentono lo scambio di materiali tra cellule adiacenti e, di conseguenza, tra tutte le cellule della pianta. Giunzioni cellulari Le cellule animali sono connesse tra loro tramite tre tipi di giunzioni: Giunzioni ancoranti (desmosomi) Giunzioni occludenti (serrate o strette) giunzioni comunicanti (giunzioni gap). Matrice extracellulare Cellule eucariote animali Riassumendo…. Origine delle cellule Eucariote Teoria endosimbiontica Presenza di DNA circolare Capacità di riproduzione Composizione chimica della membrana interna Molecole di RNA Origine delle cellule Eucariote Origine della doppia membrana Membrana plasmatica Formata da LIPIDI e PROTEINE Funzioni della Membrana plasmatica 1. Barriera Selettiva - Circondare la cellula per mantenere organelli, enzimi, metaboliti e certi ioni all’interno 2. Contenere sistemi enzimatici – metabolismo energetico ecc. (mitocondrio) 3. Contenere sistemi di trasporto – portare molecole nutritizie all’interno e mantenere le concentrazioni degli ioni 4. Contenere siti specifici di riconoscimento – scambio di informazione Le membrane biologiche sono composte di Lipidi: - Barriera idrofobica Proteine: - Trasporto Specifico - Riconoscimento e comunicazione - Conversione di energia Carboidrati: - Riconoscimento e comunicazione Struttura e funzioni della Membrana plasmatica Lipidi della Membrana plasmatica Struttura della Membrana plasmatica Doppio strato di fosfolipidi Membrana plasmatica al microscopio elettronico Possibili modelli di membrana plasmatica ASIMMETRICA Modello a mosaico fluido Fluidità della membrana Fluidità della membrana La FLUIDITA’ e influenzata da: 1. il numero di doppi legami C=C e dalla lunghezza degli acidi grassi presenti nei fosfolipidi Fluidità della membrana PRESENZA DI A.GRASSI SATURI O INSATURI Fluidità della membrana La FLUIDITA’ e influenzata dalla 2. temperatura Temperatura di transizione→ T di passaggio da uno stato liquido ad uno più rigido Fluidità della membrana La FLUIDITA’ e influenzata dal 3. colesterolo Sintesi dei lipidi di membrana Reticolo Endoplasmatico liscio Proteine di membrana Proteine di membrana Funzioni delle proteine di Membrana plasmatica Permeabilità della Membrana plasmatica Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili (fanno passare il solvente e non il soluto). In genere permeabili a molecole idrofobe e di piccole dimensioni, impermeabili a quelle polari Permeano le molecole di acqua (polari ma piccole), i gas (CO2, O2, N2), altre molecole piccole polari (glicerolo), molecole grandi apolari (idrocarburi) Ioni, zuccheri, AA, etc. permeano grazie alle Proteine di trasporto (Carrier e Canale) Bilayer lipidico sintetico Molecole idrofobiche SI Molecole polari di piccole dimensioni Molecole polari di dimensioni NO maggiori IONI Meccanismi di Trasporto Trasporto passivo: - A. Diffusione semplice - B. Diffusione facilitata Trasporto attivo:(contro gradiente) D. Trasporto primario C.-E. Trasporto secondario: File:TrasportoMembrana.png Nel trasporto secondario non viene speso direttamente ATP, ma viene sfruttata la differenza di distribuzione di cariche elettriche creata dai trasportatori attivi che pompano ioni al di fuori della cellula. Esocitosi/Endocitosi F.-G. Esocitosi Trasporto passivo Trasporto passivo : la cellula non utilizza ATP La DIFFUSIONE è l’insieme di movimenti casuali che portano ad uno stato di equilibrio. I soluti presentano un movimento netto dalla regione a maggior concentrazione a quella a minor concentrazione (reazione esoergonica). Trasporto passivo DIFFUSIONE SEMPLICE E DIFFUSIONE FACILITATA Diffusione facilitata da canali Diffusione facilitata da proteine carrier Diffusione facilitata da proteine carrier Diffusione dell’acqua Diffusione dell’acqua L’acqua si muove per: 1. Diffusione facilitata (acquaporine) 2. Diffusione semplice (osmosi) Flusso osmotico dell’acqua Flusso osmotico dell’acqua Trasporto attivo Contro gradiente di concentrazione Consumo di energia sotto forma di ATP o enegia potenziale Trasporto attivo primario Pompa Sodio/potassio ATPasi Trasporto attivo primario Trasporto attivo secondario Trasporto attivo secondario negli enterociti Esocitosi ed Endocitosi DNA: basi molecolari dell’ereditarietà Il DNA è la macromolecola nella quale è depositata l’informazione genetica di tutte le cellule. Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare. Il DNA è costante all’interno di una stessa specie. Il DNA è variabile tra le diverse specie. Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo. L’informazione è registrata nella sequenza dei nucleotidi lungo la catena polinucleotidica. Cronologia scoperte relative al DNA Esperimento di Griffith (1928) Streptococcus pneumoniae il ceppo rough (R) era costituito da cellule con superficie ruvida, perché non possedevano capsula esterna. Per tale motivo non erano cellule virulente il ceppo smooth (S) era costituito da cellule con superficie liscia, perché possedevano una capsula esterna che li proteggeva dagli attacchi del sistema immunitario dell'ospite. Per tale motivo le cellule erano virulente. 1944→ Avery e collaboratori dimostrano che il principio trasformante è il DNA ma furono contestati (considerato valido solo per batteri) PRINCIPIO TRASFORMANTE Regole di Chargaff (1949) Esperimento di Hershey e Chase (1952) 35S→ proteine 32P → DNA 1952 Foto 51 Struttura elicoidale del DNA 1953: Watson e Crick Rosalind Franklin descrivono la doppia Non ha avuto il premio elica Nobel ma i suoi studi sono stati molto importanti Watson e Crick ipotizzarono che la molecola di DNA fosse costituita da 2 catene polinucleotidiche antiparallele tenute insieme da legami ad idrogeno tra le basi Struttura del DNA Campbell – Biologia e 8 genetica © Pearson Italia S.p.A. Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi Campbell – Biologia e 10 genetica © Pearson Italia S.p.A. Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi Campbell – Biologia e 11 genetica © Pearson Italia S.p.A. Struttura del DNA Il DNA è costituito da 2 catene polinucleotidiche antiparallele e complementari, avvolte ad elica 1953 Identificata la struttura del DNA Il genoma è l'intero patrimonio genetico di un organismo vivente Il DNA è identico per tutte le cellule di un organismo. 2001 Sequenza del genoma umano Duplicazione del DNA La duplicazione (o replicazione) del DNA avviene in modo SEMI-CONSERVATIVO “Non è sfuggito alla nostra attenzione che lo specifico appaiamento da noi postulato suggerisce un possibile meccanismo per la copiatura del materiale genetico” Watson e Crick 1953 Duplicazione del DNA Duplicazione del DNA (1958) Duplicazione del DNA La duplicazione (o replicazione) del DNA avviene in modo SEMI-CONSERVATIVO Campbell – Biologia e 18 genetica © Pearson Italia S.p.A. Enzimi coinvolti nella sintesi del DNA Origine di replicazione La replicazione del DNA inizia in specifici punti chiamati Origini della replicazione ricchi in A-T. 1-La replicazione inizia con la rottura dei legami idrogeno ad opera dell’enzima ELICASI. Ogni origine di replicazione contiene 2 ELICASI che aprono l’elica del DNA in modo bidirezionale. Origine di replicazione Campbell – Biologia e 21 genetica © Pearson Italia S.p.A. Campbell – Biologia e 22 genetica © Pearson Italia S.p.A. Duplicazione del DNA 2-Le eliche del DNA devono essere tenute separate durante la replicazione: DNA elicasi e proteine che legano il DNA a singolo filamento Duplicazione del DNA La DNA polimerasi può unire nucleotidi solo all’estremità 3’-OH del filamento in formazione. Essa non è in grado di iniziare dal nulla la sintesi di una nuova catena di nucleotidi. 3-La sintesi necessita di un iniziatore di RNA (primer). L’enzima che lo sintetizza è chiamato Primasi 4-La sintesi del nuovo filamento procede in direzione 5’-P 3’-OH. La DNA polimerasi forma legami fosfodiestere Duplicazione del DNA 5-La sintesi avviene in modo: Continuo sul filamento guida Discontinuo sul filamento ritardato (frammenti di Okazaki) 5’ 3’ 3’ 5’ Replicazione del DNA 5-La sintesi avviene in modo: Continuo sul filamento guida (filamento anticipato) Discontinuo sul filamento ritardato (frammenti di Okazaki) Replicazione del DNA 5-La sintesi avviene in modo: Continuo sul filamento guida (filamento anticipato) Discontinuo sul filamento ritardato (frammenti di Okazaki) Replicazione del DNA Becker – Il mondo della 29 cellula 8/ed © Pearson Italia S.p.A. Replicazione del DNA 6-La sintesi è bidirezionale: procede in entrambe le direzioni della bolla di replicazione Replicazione del DNA 7-L’innesco di RNA (primer) viene rimosso da una DNA pol con attività esonucleasica 5’-> 3’ 8-I frammenti di Okazaki sono uniti insieme dalla DNA ligasi Becker – Il mondo della 31 cellula 8/ed © Pearson Italia S.p.A. Riassumendo….. Campbell – Biologia e 32 genetica © Pearson Italia S.p.A. Riassumendo….. 1-Le eliche del DNA devono essere tenute separate durante la replicazione: DNA elicasi si legano ai siti chiamati origine di replicazione e rompono i legami ad idrogeno tra le basi. 2-Le eliche del DNA devono essere tenute separate durante la replicazione: DNA elicasi e proteine che legano il DNA a singolo filamento 3-La sintesi necessita di un iniziatore chiamato INNESCO costituito da una molecola di RNA (PRIMER) sintetizzato dall’enzima PRIMASI. 4-La sintesi procede in direzione 5’ 3’; la DNA polimerasi forma legami fosfodiestere tra il 3’ OH della catena in allungamento ed il 5’P di un nuovo nucleotide 5-La sintesi avviene in modo Continuo sul filamento guida Discontinuo (frammenti di Okazaki) sul filamento ritardato 6-La sintesi è bidirezionale: procede in entrambe le direzioni della bolla di replicazione 7-L’innesco di RNA (primer) viene rimosso da una DNA polimerasi con attività esonucleasica 5’-> 3’ 8-I frammenti di DNA sono uniti insieme dalla DNA ligasi Enzimi coinvolti nella sintesi del DNA Elicasi Proteine che legano Primasi il singolo filamento DNA polimerase III DNA polimerase I Ligasi (Esonuclease) Enzimi coinvolti nella sintesi del DNA Enzimi coinvolti nella sintesi del DNA DNA polimerasi e attività di “correttore di bozze” La DNA polimerasi III compie «solo» un errore ogni 108 coppie di nucleotidi perché si autocorregge (proofreading); ▪la DNA polimerasi controlla l’appaiamento precedente prima di aggiungere un nuovo nucleotide e, se è scorretto, lo rimuove inserendo quello giusto; ▪ha attività nucleasica, ossia degradativa, in direzione opposta a quella di sintesi. Rimozione dei primer Organizzazione del DNA Organizzazione del DNA: EUCARIOTI Negli eucarioti il DNA è associato a proteine CROMATINA= ISTONI (proteine basiche) e DNA Nucleosoma Cromatina La presenza dell’istone H1 fa aumentare la quantità di DNA avvolto attorno al core istonico CROMATINA= ISTONI (proteine basiche) e DNA Livelli di impacchettamento della cromatina Cromosoma Metafasico Cromatina: DNA e proteine basiche-istoni Cromosomi Eterocromatina: DNA molto compattato ( inattivo) Eucromatina: DNA rilassato (attivo) IL CONTENUTO DI DNA E IL NUMERO DI CROMOSOMI VARIA NEGLI ESSERI VIVENTI: DA UNO NEI BATTERI A CENTINAIA NEGLI ORGANISMI SUPERIORI. NUMERO SPECIE DI CROMOSOMI Il numero dei cromosomi è costante per una determinata specie vivente e cambia tra le diverse specie. Organizzazione del DNA: PROCARIOTI Organizzazione del DNA: PROCARIOTI DNA Proteine NON ISTONICHE, proteine basiche Molecole di RNA Dogma centrale della biologia Acido ribonucleico (RNA) 1. L’RNA è di solito a singola elica 2. L’RNA contiene ribosio come zucchero 3. L’RNA contiene uracile al posto della timina Acido ribonucleico (RNA) 1- RNA ribosomiale (rRNA) costituisce i ribosomi 2- RNA di trasferimento (tRNA) porta gli AA nella traduzione 3- RNA messaggero (mRNA) porta il messaggio dal DNA ai ribosomi TRASCRIZIONE TRASCRIZIONE 1. INIZIO La RNA polimerasi riconosce sul DNA una sequenza di nucleotidi posti a monte dell’unità di trascrizione e chiamata PROMOTORE. Dopo il riconoscimento del promotore la RNA polimerasi inizia a svolgere il DNA. Il promotore indica alla polimerasi : -dove iniziare la trascrizione -quale dei 2 filamenti di DNA leggere (filamento stampo) -la direzione di lettura RNA polimerasi NEI PROCARIOTI Un’ unica RNA polimerasi: “core” costante (subunità αβ) ma diverse subunità σ La subunità sigma riconosce il promotore Il core catalizza la sintesi delle molecole di RNA RNA polimerasi NEI PROCARIOTI Fattori sigma σ70 : usato in condizioni normali per trascrivere la maggior parte dei geni; σS : utilizzato quando la cellula è in condizioni di stress; σ32 : utilizzato in condizioni di shock termico; permette la trascrizione di geni che codificano per proteine che proteggono la cellula da alte e basse temperature; σE : utilizzato in condizioni di shock termico; σ54 : utilizzato quando nella cellula si ha una carenza d'azoto; σ28 (σF) : utilizzato per l'espressione dell'operone dei flagelli. La trascrizione avviene in direzione 5’- 3’ La trascrizione è unidirezionale Filamento stampo Filamento codificante 2. ALLUNGAMENTO 3. TERMINAZIONE Nei PROCARIOTI: 1) dipendente dal fattore rho TERMINAZIONE Nei PROCARIOTI: 2) indipendente dal fattore rho OPERONI OPERONI OPERONI Trascrizione negli EUCARIOTI 1) RNA polimerasi RNA pol I: rRNA 28S, 18S, 5,8S (nucleolo) RNA pol II: mRNA, snRNA (nucleoplasma) RNA pol III: tRNA, rRNA 5S, altri piccoli RNA (nucleoplasma) RNA pol mitocondriale RNA pol dei cloroplasti 2) Promotori più complessi e diversificati 3) Presenza di fattori di trascrizione Promotori negli EUCARIOTI INIZIO: legame dell’RNA polimerasi al promotore EUCARIOTI La RNA polimerasi riconosce sul DNA una sequenza di nucleotidi posti a monte dell’unità di trascrizione e chiamata PROMOTORE. Dopo il riconoscimento del promotore la RNA polimerasi inizia a svolgere il DNA. Il promotore indica alla polimerasi : -dove iniziare la trascrizione -quale dei 2 filamenti di DNA leggere (filamento stampo) -la direzione di lettura Campbell – Biologia e genetica © 19 Pearson Italia S.p.A. Fattori di trascrizione Campbell – Biologia e genetica © 20 Pearson Italia S.p.A. Fattori di trascrizione Campbell – Biologia e genetica © 21 Pearson Italia S.p.A. Fattori di trascrizione Campbell – Biologia e genetica © 22 Pearson Italia S.p.A. Trascrizione Campbell – Biologia e genetica © 23 Pearson Italia S.p.A. Riassumendo……. L’RNA polimerasi inizia la trascrizione dopo essersi legata ad una sequenza di DNA detta PROMOTORE; il promotore non e’ trascritto. A differenza della sintesi del DNA, la sintesi dell’RNA non richiede un INNESCO (primer). La trascrizione avviene in direzione 5’- 3’ Solo uno dei 2 filamenti e’ trascritto per un certo gene, ma il filamento opposto puo’ essere trascritto per un altro gene. Sintesi unidirezionale. Maturazione pre-mRNA negli Eucarioti Maturazione pre-mRNA negli Eucarioti La maturazione avviene nel nucleo 1. Capping o aggiunta del cappuccio all’estremità 5’ 2. Poliadenilazione all’estremità 3’ 3. Splicing o processamento hnRNA 1. ‘Capping’ CAPPUCCIO Il cappuccio protegge l’estremita’ 5’ dell’mRNA dall’azione delle ribonucleasi e posiziona in modo corretto i ribosomi durante la traduzione. 2. Poliadenilazione Aiuta l’mRNA ad uscire dal nucleo e lo protegge dalla degradazione da parte di enzimi presenti nel citoplasma 3. Splicing Campbell – Biologia e genetica © 29 Pearson Italia S.p.A. 3. Splicing Campbell – Biologia e genetica © 30 Pearson Italia S.p.A. Definizione di GENE Il gene è una regione di un genoma (costituita dunque di DNA) composta da sequenze trascritte e sequenze regolatorie, corrispondente all'unità ereditaria fondamentale degli organismi viventi e la sua trascrizione porta alla formazione di un prodotto funzionale (RNA o proteine) Dogma centrale della Biologia TRADUZIONE Il codice genetico L’insieme di regole che permette di «tradurre» l’informazione genetica da DNA (RNA) a proteine è chiamata CODICE GENETICO. Il codice genetico venne decifrato da: 1. F. Crick e S. Brenner 2. M. Nirenberg e H. Matthaei 3. Har Gobind Khorana un decennio dopo il lavoro di Watson e Crick. Il Codice Genetico è a ‘TRIPLETTE’ Proteine alfabeto di 20 lettere (aminoacidi) DNA alfabeto di 4 lettere (A, C, G, T) Parole di 1 lettera 4 combinazioni = 4 possibilità Parole di 2 lettere 42 combinazioni = 16 possibilità Parole di 3 lettere 43 combinazioni = 64 possibilità Teoricamente si stabilì che solo con 3 nucleotidi era possibile codificare per un numero più che sufficiente di amminoacidi. 3 nucleotidi= 1 AA 3 nucleotidi = 43 = 64 amminoacidi Questa tripletta di nucleotidi viene chiamata codone. CODICE GENETICO Il CODICE GENETICO è l’insieme di regole che permette di tradurre l’informazione genetica contenuta nelle sequenze nucleotidiche di DNA (RNA) in sequenze di aminoacidi di una proteina. Tali regole sono: 1-Il codice genetico è a TRIPLETTE: cioè la combinazione di tre nucleotidi specifica per 1 aminoacido (CODONE) 2-Il codice genetico è RIDONDANTE: ogni aminoacido può essere specificato da più di un codone. 3-Il codice genetico NON E' AMBIGUO: un determinato codone specifica per un solo aminoacido 4-Il codice genetico è UNIVERSALE: uguale per tutti gli esseri viventi tranne alcune eccezioni. 5-Il codice genetico è SENZA PUNTEGGIATURA cioè viene letto linearmente e non è SOVRAPPONIBILE. CODICE GENETICO Traduzione codice genetico RNA messaggero (mRNA) RNA di trasferimento (tRNA) Aminoacidi amioacil-tRNAsintetasi Ribosomi RNA di trasferimento (tRNA) Campbell – Biologia e 39 genetica © Pearson Italia S.p.A. Sintesi dell’aminoacil-tRNA L’enzima Aminoacil-tRNA sintetasi lega un aminoacido al suo specifico tRNA Struttura generale dei ribosomi degli eucarioti e dei procarioti 70S 80S 50S 60S 40S 30S S= unità svedberg (misura del coefficiente di sedimentazione. Ha le dimensioni di una velocità per unità di campo gravitazionale). Il coefficiente di sedimentazione di una particella in un dato solvente ad una certa temperatura dipende dalle dimensioni, dalla forma e dal grado di idratazione di questa Struttura generale dei ribosomi Campbell – Biologia e genetica © 42 Pearson Italia S.p.A. Schema generale della Traduzione Becker – Il mondo della cellula 8/ed © Pearson Italia S.p.A. Schema generale della Traduzione Becker – Il mondo della cellula 44 8/ed © Pearson Italia S.p.A. Sito di riconoscimento da parte della subunità minore del ribosoma mRNA 5’ 3’ Procarioti: sequenza di Shine-Delgarno al 5’ Eucarioti: cappuccio Inizio della Traduzione Campbell – Biologia e 46 genetica © Pearson Italia S.p.A. Allungamento della Traduzione Campbell – Biologia e 47 genetica © Pearson Italia S.p.A. Formazione del legame peptidico Peptidil transferasi (rRNA 23S) Terminazione della Traduzione Campbell – Biologia e 49 genetica © Pearson Italia S.p.A. Polisomi Nei procarioti la traduzione è co-trascrizionale Campbell – Biologia e 51 genetica © Pearson Italia S.p.A. Negli eucarioti la traduzione è post-trascrizionale Campbell – Biologia e 52 genetica © Pearson Italia S.p.A. Sintesi proteica nelle cellule eucariote ( es. Cellula vegetale ) Modificazioni post-traduzionali Negli eucarioti le proteine possono subire delle modifiche chimiche Mutazioni geniche o puntiformi 1. Sostituzione, dovute alla sostituzione di una singola base del DNA con un’altra base 2. Delezione, perdita di una base nel filamento di DNA 3. Inserzione, aggiunta di una base nel filamento di DNA Mutazioni geniche o puntiformi La sostituzione di una base può avere conseguenze più o meno gravi sul prodotto finale (la proteina specificata da quel gene). Distinguiamo: 1. mutazioni silenti, non modificano la sequenza aminoacidica della proteina 2. mutazioni missenso, la sequenza aminoacidica della proteina viene modificata 3. mutazioni non senso, la sostituzione porta alla formazione di un codone di stop Modificazioni post-traduzionali Campbell – Biologia e 57 genetica © Pearson Italia S.p.A. Mutazioni missenso ANEMIA FALCIFORME Riproduzione Cellulare “ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente” Una cellula, prima di riprodursi, deve aumentare in dimensioni, sintetizzando nuove macromolecole (nel caso degli eucarioti, nuovi organuli). In particolare, deve duplicare tutte le sue molecole di DNA. Dopo l’accrescimento la cellula si divide in 2 cellule figlie. DIVISIONE CELLULARE Divisione Cellulare Divisione Cellulare nei PROCARIOTI SCISSIONE BINARIA Negli organismi unicellulari la divisione cellulare coincide con la riproduzione dell’organismo. Riproduzione asessuata Cellule figlie cloni della cellula madre Divisione Cellulare negli EUCARIOTI Negli organismi unicellulari la divisione cellulare coincide con la riproduzione dell’organismo. Negli organismi pluricellulari la divisione cellulare è importante per la formazione, l’accrescimento e l’omeostasi dei tessuti. Negli organismi pluricellulari, a riproduzione sessuata, la divisione cellulare porta alla formazione dei ‘gameti’. MITOSI La divisione cellulare mitotica interessa sia organismi eucarioti unicellulari che eucarioti pluricellulari. Negli eucarioti pluricellulari che si riproducono mediante riproduzione sessuata, la divisione cellulare mitotica interessa tutte le cellule del corpo (dette somatiche) a eccezione delle cellule germinali (destinate alla produzione dei gameti), e avviene periodicamente con duplicazione del materiale genetico (DNA), aumento delle dimensioni cellulari e divisione di nucleo e cellula. Cellule Somatiche e Germinali Ciclo Cellulare Mitotico Ciclo Cellulare Mitotico Ciclo Cellulare Mitotico EUCARIOTI G0 Un ciclo cellulare MITOTICO genera 2 cellule figlie con patrimonio genetico identico alla cellula madre Ciclo Cellulare Mitotico Ciclo Cellulare Mitotico ▪ In base al loro ciclo cellulare MITOTICO i tessuti di un organismo pluricellulare vengono classificati in: - Stabili: che permangono per anni in fase G1 e presentano divisione cellulare solo se stimolata da particolari fattori (es. cellule epatiche) - Labili: alcune cellule si dividono attivamente, G1 breve, mentre altre seguono la via del differenziamento cellulare e poi la morte (es. cellule epiteliali). - Perenni: le cellule raggiunta la crescita non si dividono mai (es. neuroni) Mitosi e Cromosomi Ciascun cromosoma si duplica nella fase S del ciclo cellulare, producendo due copie identiche di molecole di DNA: i cromatidi fratelli. I cromatidi restano associati mediante una struttura proteica chiamata centromero. Cromatidi fratelli Centromero I cromatidi si dividono durante la fase M Mitosi e Cromosomi Una cellula 2 cellule, cloni della cellula madre Nel corso della divisione cellulare mitotica, ciascuno dei cromosomi si riproduce integralmente. Una copia di ciascun cromosoma segregherà in ciascuna delle due cellule figlie che si ottengono al termine della divisione. Fase Mitotica Fuso Mitotico Fuso Mitotico Fase Mitotica Citocinesi Cellule Animali Cellule Vegetali Regolazione del Ciclo Cellulare Regolazione molecolare del Ciclo Cellulare CARIOTIPO UMANO: 23 coppie di cromosomi Di cui 22 coppie di autosomi ed 1 coppia di cromosomi sessuali Corredo cromosomico DIPLOIDE: 2N APLOIDE: N Corredo Cromosomico Cellula procariota: APLOIDE (n) Cellula eucariota: DIPLOIDE (2n) APLOIDE (n) Cromosomi omologhi Stessa forma e stessa informazione genetica Eccezione per i cromosomi sessuali X e Y MITOSI e MEIOSI Negli organismi a riproduzione sessuata Le cellule germinali si riproducono per MEIOSI MITOSI e MEIOSI MEIOSI MEIOSI MEIOSI Meiosi I è detta riduttiva poiché da una cellula (2n) si generano due cellule aploidi (dal punto di vista informazionale), ma ancora formate da cromosomi costituiti da due cromatidi. Figura 20.5 segue Tetrade e cossing-over Tetrade e cossing-over Crossing-over e ricombinazione genica MEIOSI Anafase I → i cromatidi fratelli restano attaccati per mezzo dei centromeri, mentre i cromosomi omologhi si staccano e migrano ai poli opposti della cellula. In questo modo si ha un corredo cromosomico aploide proprio perché sono gli omologhi parentali a separarsi. Figura 20.5 segue MEIOSI Meiosi II (separativa) → i cromatidi fratelli si separano e sono generate quattro cellule aploidi con lo stesso materiale genetico delle due cellule madri, ovvero le due cellule aploidi risultanti dalla Meiosi I. Figura 20.5 continua MEIOSI e Variabilità Genetica 1. CROSSING-OVER MEIOSI e Variabilità Genetica 2. ASSORTIMENTO INDIPENDENTE (distribuzione casuale dei cromosomi) ANOMALIE CROMOSOMICHE Aneuploidia Guadagno o perdita di alcuni cromosomi trisomie monosomie Non- disgiunzione dei cromosomi Aneuploidia Gametogenesi Figura 20.9 Fecondazione Sviluppo Riproduzione degli organismi viventi La riproduzione è un processo attraverso il quale un organismo vivente dà origine ad uno o più discendenti, garantendo la conservazione della specie. Si possono distinguere due tipi di riproduzione: 1. Vegetativa o asessuata (agamica) 2. Sessuata (gamica) Cicli Vitali Riproduzione sessuata Scoperta dei Virus Virus Il termine deriva dal latino: «veleno» Parassiti endocellulari obbligati di Procarioti (batteriofagi) ed Eucarioti Caratteristiche generali I virus: ▪ sono visibili soltanto al microscopio elettronico e, pertanto, è stato possibile identificarli solo alla fine degli anni ’30. Hanno dimensioni tra i 20nm ed i 300 nm. ▪ non contengono citoplasma né dispositivi metabolici ▪ sono parassiti obbligati in quanto possono riprodursi solo all’interno di una cellula viva ▪ Costituiti da core di acido nucleico ▪ I virus sono i microrganismi più abbondanti sulla terra ▪ I virus infettano i batteri sono detti batteriofagi (mangiatori di batteri) o fagi Virus I Virus non appartengono a nessun «dominio» Eubatteri Eucarioti Virus Presenza + + - contemporanea di DNA e RNA Presenza di ribosomi + + - Presenza di sistemi + + - enzimatici deputati alla produzione di energia Riproduzione + + Solo all’interno dell’ospite Mutazioni del materiale + + + genetico I virus non hanno nucleo, organelli, citoplasma e membrana plasmatica. Non hanno attività metaboliche. Componenti dei Virus 1. Core: Genoma (DNA o RNA) 2. Capside : Rivestimento proteico Componenti dei Virus L’esterno: 3. Pericapside o envelope alcuni hanno, all’esterno del capside, un rivestimento membranoso che deriva da ospiti infettati; sono presenti glicoproteine di membrana (virali), facilitano l’ingresso nella cellula ospite; I virus con envelope sono comuni nel mondo animale VIRUS con envelope sono detti VIRUS RIVESTITI VIRUS privi di envelope vengono definiti VIRUS NUDI Classificazione dei Virus I virus si possono classificare in base all’organismo nel quale si riproducono in: ▪ batteriofagi (o fagi), che infettano i batteri ▪ virus vegetali, che infettano le cellule delle piante (come il virus del mosaico del tabacco) ▪ virus animali, che infettano le cellule animali (come Herpes virus che provoca la varicella) I virus sono specie-specifici Classificazione dei Virus Classificazione in base alla forma o simmetria: elicoidale, icosaedrica, complessa. Campbell – Biologia e genetica © 9 Pearson Italia S.p.A. Classificazione dei Virus Classificazione in base al materiale genetico Classificazione virus Classificazione in base alla materiale genetico 30% dei virus animali ha un genoma a DNA Nella maggior parte dei virus a DNA, il genoma è a doppio filamento (sempre aploide), circolare o lineare Eccezione: Parvovirus (singolo filamento lineare), Hepadnavirus (doppio filamento circolare, incompleto) Replicazione, trascrizione avvengono nel nucleo (eccezione: poxvirus) Classificazione virus Classificazione in base alla materiale genetico 70% dei virus animali ha un genoma ad RNA Nella maggior parte dei virus a RNA, il genoma è a singolo filamento; è sempre lineare Eccezione: Reovirus (RNA a doppio filamento segmentato), Orthomyxovirus (RNA singolo filamento, frammentato). Replicazione e trascrizione: principalmente nel citosol Batteriofagi o fagi 2 tipi di riproduzione: il ciclo litico e il ciclo lisogenico 1 2 Batteriofagi o fagi Virus batterici 1. Ciclo Litico Porta alla lisi (distruzione) della cellula ospite. Virus virulenti. Batteriofagi Virus batterici 2. Ciclo Lisogenico I fagi che compiono questo ciclo vengono chiamati “temperati”. Integrano il loro genoma nella cellula ospite senza provocarne la morte: profago. Conversione lisogenica. Fago : batteriofago che infetta Escherichia coli Il profago conferisce al batterio nuove proprietà. Virus Animali Possono realizzare: ▪ il ciclo litico ▪ il ciclo «lisogeno» (provirus) Virus Animali Campbell – Biologia e genetica © 17 Pearson Italia S.p.A. Retrovirus HIV HIV: retrovirus (virus a RNA) che utilizza una DNA polimerasi, chiamata trascrittasi inversa, per trascrivere il genoma a RNA in DNA in maniera da permettere l’integrazione del genoma virale in quello della cellula ospite. Campbell – Biologia e genetica © 18 Pearson Italia S.p.A. Trascrittasi inversa DNA polimerasi-RNA dipendente Dogma centrale della biologia Ciclo infettivo di SARS-CoV-2. 1) La proteina spike del virione lega la proteina di membrana ACE2. L’enzima TMPRSS2 (transmembrane serine protease 2), espresso principalmente nelle cellule epiteliali delle vie respiratorie e nelle cellule endoteliali dei vasi, media l’entrata del virus nella cellula per endocitosi. 3) Il virione rilascia il suo RNA. 4) L’RNA è tradotto in proteine virali dai ribosomi della cellula. Alcune di queste proteine formano il complesso di replicazione del genoma virale ad RNA. 5) Proteine ed RNA sono assemblati in nuovi virioni nell’apparato del Golgi. 6) Rilascio dei virioni. Mezzo secolo di biologia 1944 Hershey e Martha Chase studiando virus batterici, e Avery occupandosi di batteri patogeni, dimostrano che il DNA è materiale genetico in grado di trasferire caratteristiche metaboliche da un organismo all’altro. 1953 Watson e Creek determinano la struttura del DNA 1961 Niremberg decifra il codice genetico 1973 Boyer e Cohen fondano la tecnologia del DNA ricombinante 1976 Maxam e Gilbert e in un altro laboratorio Sanger mettono a punto 2 diversi metodi per sequenziare il DNA. Il metodo di Sanger, automatizzato, è tuttora utilizzato 1978 Genentech produce insulina umana ricombinante in E.coli 1982 Primo vaccino animale prodotto con tecnologie ricombinanti introdotto in UE 1983 Impiego di un vettore per il trasferimento di geni esogeni nelle piante 1988 Reazione a catena della polimerasi (PCR) 1990 Inizio del Progetto Genoma Umano 1996 Sequenziamento completo del genoma di S. cerevisiae 1997 Clonazione di un mammifero (Dolly) 2000 Annuncio della conclusione Sequenziamento Genoma Umano 1953 il DNA: la Doppia Elica di Watson e Crick Grazie agli studi di diffrazione ai raggi X, che molto probabilmente segnarono il destino di Rosalind Franklin, Watson e Crick risolvono l’enigma di una molecola sorprendentemente ordinata e geometrica. Il concetto di Complementarietà… La denaturazione di una molecola di DNA rompe i ponti H tra le basi azotate: Si liberano due eliche COMPLEMENTARI. Amplificazione del DNA Reazione a catena della polimerasi (PCR) La PCR Gli ingredienti della PCR sono: un templato due primer una miscela di deossinucleotidi trifosfati (dNTP) una DNA-polimerasi termostabile Amplificazione del DNA Reazione a catena della polimerasi (PCR) Vengono sfruttate le seguenti proprietà: - Condizioni di lavoro semplici dell’enzima DNApolimerasi - Notevole velocità di reazione (anche centinaia bp/sec) - Innesco di lavoro dell’enzima basato su brevi sequenze “primer” - Separazione delle doppie eliche per denaturazione Reazione a catena della polimerasi (PCR) La Taq polimerasi è una DNA polimerasi, proveniente dall'organismo termofilo Thermus aquaticus. L'enzima è costituito da una singola catena polipeptidica, con massa molecolare di 94 kDa. Reazione a catena della polimerasi (PCR) L’ Analisi dei frammenti di DNA - Il DNA è carico negativamente - Corso su un gel di agarosio in un campo elettrico si separa in base alla lunghezza del frammento o al suo grado di avvolgimento - Le basi vengono regolarmente intercalate da bromuro di etidio che è visibile in luce UV

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