Biologia applicata appunti e riassunti

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Biologia applicata appunti e riassunti

APPUNTI BIOLOGIA APPLICATA

Biologia: studio scientifico degli organismi viventi. Presuppone un’indagine accurata dell’organismo vivente
Caratteristiche degli organismi viventi:

Si originano solo per divisione di cellule preesistenti
La cellula ne costituisce l’unità funzionale
Tutte le cellule contengono l’informazione genica (DNA)

Il DNA contiene tutte le informazioni perché la cellula svolga tutte le sue funzioni
Alterazioni del DNA possono portare a alterazioni delle componenti cellulari

Si sono evoluti
Possono estrarre energia dall’ambiente
Possono estrarre energia dall’ambiente circostante e utilizzarla per le proprie funzioni
Utilizzano le molecole ottenute dall’ambiente esterno per sintetizzare nuove molecole biologiche
Possono regolare il loro ambiente interno

Gli organismi possono essere:

Unicellulari: sono costuituiti da una singola cellula che svolge tutte le funzioni vitali
Pluricellulari: sono costuituiti da molti tipi diversi di cellule che svolgono funzioni specializzate

La cellula è l’unità strutturale e funzionale che costituisce tutti gli organismi viventi
La cellula ha una complessità di forma e di funzione. Ma tutte le cellule hanno in comune tra loro tre caratteristiche:

Membrana plasmatica
Materiale genetico sottoforma di nucleo o di nucleoide
Citopasma

Le cellule in base alla complessità della loro organizzazione interna vengono distinte in :

Procarioti: singola molecola di DNA immersa nel citoplasma (unicellulari)
Eucarioti: molecola di DNA racchiusa nel NUCLEO

I PROCARIOTI sono gli organismi più semplici. In genere sono unicellulari, ma possono presentarsi sotto forma di gruppi di aggregazione o di gruppi con centinaia di individui e possono aver forme molto diverse. Comprendono i batteri (bacteria e archea) e le alghe verdi.
Sono caratterizzati da una membrana cellulare, un nucleoide immerso nel citoplasma ma non delimitato da una membrana. Sono dotati di un’ulteriore struttura di rivestimento chiamata parete cellulare che rappresenta uno strato rigido di spessore variabile che protegge la cellula. A seconda della composizione della parete i batteri vengono distinti in: GRAM positivi (peptidoglicano) GRAM negativi (fosfolipidi)

I batteri hanno possibilità di movimento: I FLAGELLI rappresentano le strutture di movimento di un batterio
Le cellule EUCARIOTE sono più strutturate e complesse. Parola chiave: Compartimentalizzazione. Negli eucarioti, i processi funzionali avvengono in luoghi delimitati separati tra loro da strutture di membrana in strutture definite ORGANULI ->
Vantaggi:

creazione di un microambiente in cui tutte le sostanze che servono per una determinata funzione sono concentrate
Possibilità di concentrare le attività “pericolose” o tossiche in determinati organuli

Svantaggi:

le attività devono essere tra loro integrate in modo che si creino percorsi di attività e di smistamento di prodotti da un organulo all’altro
I prodotti devono essere trasportati

Complessità di funzioni:

Le cellule possiedono un programma genetico: l’informazione è depositata in un insieme di geni. L’informazione è condensata nel nucleo
Le cellule acquisiscono energia e la utilizzano
Svolgono una varietà di reazioni chimiche
Sono impegnate in numerose attività meccaniche
Sono capaci di rispondere agli stimoli
Sono capaci di auto-regolazione
Si riproducono

Gli organismi pluricellulari sono costituiti da cellule specializzate nello svolgere funzioni tra loro molto diverse. Esistono quindi vari tipi di cellule eucariote

La materia è costituita da elementi chimici in forma pura o in combinazione (composti)
Gli elementi non possono essere scomposti in altre sostanze, mentre un composto può contenere due o più elementi. Gli elementi essenziali per la vita sono Carbonio (C), Ossigeno (O), Idrogeno (H) e Azoto (N), costituiscono circa il 96% della materia vivente. Le proprietà di un elemento dipendono dalla struttura degli atomi di cui è costituito
La materia è composta da atomi. Ogni atomo consiste di un nucleo carico positivamente in cui si trovano protoni e neutroni, circondato da elettroni carichi negativamente che sono localizzati in orbitali attorno al nucleo.
Un elemento è costituito da un solo tipo di atomi ed è caratterizzato da un numero unico di protoni

Un atomo perdendo, acquisendo o mettendo in condivisione i suoi elettroni per diventare più stabile si può combinare con altri atomi e formare delle MOLECOLE. Gli atomi formano le molecole costituendo tra loro dei LEGAMI

I LEGAMI COVALENTI sono legami molto forti che si formano quando due nuclei atomici condividono una o più coppie di elettroni.
Quando un atomo guadagna o perde uno o più elettroni diventa uno ione ovvero una sostanza dotata di carica elettrica. I LEGAMI IONICI si instaurano tra ioni di carica opposta tramite attrazione elettrica.
I LEGAMI AD IDROGENO sono interazioni elettriche deboli che si formano tra un atomo di idrogeno positivo in una molecola ed un atomo fortemente negativo di azoto o di ossigeno in un’altra molecola o in un’altra parte di una grossa molecola.

La struttura molecolare dell’acqua e la sua capacità di formare legami ad idrogeno conferiscono alla molecola di acqua proprietà uniche e caratteristiche che sono importantissime per la vita.
I legami ad idrogeno tra molecole di acqua vicine sono alla base delle proprietà uniche dell’acqua

Coesione (tensione superficiale e salita dell’acqua nei vasi delle piante)
Possibilità di cambiare di stato (vapore, ghiaccio) controllando le escursioni termiche (raffreddamento per evaporazione) e permettendo la vita anche sotto una superficie congelata
Solvente della vita

Quando le sostanze sono disciolte in acqua si dice che si forma una SOLUZIONE. La maggior parte delle sostanze biologiche sono disciolte in acqua a concentrazioni molto molto basse. Distinzione tra sostanze IDROFILE e IDROFOBE.
Gli organismi sono sensibili a condizioni di acidità o basicità. Quando una molecola di acqua trasferisce uno ione H+ ad un’altra molecola di acqua aumenta la carica positiva di quella soluzione cioè aumenta l’acidità della soluzione.
Gli acidi sono quei composti che in soluzione cedono ioni idrogeno. Le basi invece sono sostanze che accettano ioni idrogeno. I valori di pH inferiori a 7 indicano che quella soluzione è acida, mentre valori di pH superiori a 7 indicano che la soluzione è basica. Valori di pH = 7 indicano che la soluzione è neutra.

Effetti dell’inquinamento sull’acqua:
Combustione di carburanti fossili libera nell’atmosfera composti gassosi tra cui CO2 (anidride carbonica), la reazione di questi composti gassosi con l’acqua determinano alterazioni del pH e della temperatura dell’acqua
La combustione di carburanti fossili è fonte anche di ossidi di zolfo e di azoto la cui reazione con l’acqua nell’aria determina la formazione di acidi forti che poi cadono a terra con la pioggia (precipitazioni acide). Le precipitazioni acide possono danneggiare la vita nei laghi , nei fiumi, e influenzano il suolo e di conseguenza la vegetazione. Il rilascio di CO2 rappresenta il problema principale, impedisce la dispersione di calore verso lo spazio esterno all’atmosfera, quando si scioglie nel mare ne determina l’acidificazione. Problema molto importante da risolvere se si considera il continuo aumento dell’emissione di CO2
Ci sono quattro tipi di molecole che caratterizzano gli esseri viventi:

PROTEINE
LIPIDI
CARBOIDRATI
ACIDI NUCLEICI

Ogni tipo di macromolecola può avere più funzioni non necessariamente esclusive, per esempio sia i carboidrati che le proteine possono avere un ruolo strutturale sostenendo e proteggendo gli organi e i tessuti
Solo gli acidi nucleici sono specializzati nella conservazione dell’informazione
Le funzioni delle macromolecole dipendono dalla loro struttura e dalla forma che assumono nello spazio
La maggior parte delle molecole biologiche sono dei POLIMERI prodotti attraverso l’assemblaggio di unità semplici che si chiamano MONOMERI
All’interno delle molecole biologiche ci sono gruppi di atomi che definiscono i cosiddetti GRUPPI FUNZIONALI. Ogni gruppo funzionale ha delle proprietà chimiche ben definite e conferisce queste caratteristiche alla molecola in cui si trova.
Dal momento che sono caratterizzate da grandi dimensioni, le macromolecole contengono un grande numero di gruppi funzionali di diverso tipo, questa diversità di proprietà determina la forma delle macromolecole e le loro interazioni con altre macromolecole con molecole più piccole.
I gruppi funzionali presenti nelle molecole dei monomeri possono mediare la formazione dei polimeri
I polimeri si formano a partire dai monomeri attraverso una serie di reazioni chiamate REAZIONI DI CONDENSAZIONE o DISIDRATAZIONE.

Tutte le reazioni di disidratazione necessitano di energia per poter avvenire
L’inverso di una reazione di condensazione è una REAZIONE DI IDROLISI che digerisce i polimeri liberando i monomeri. L’acqua reagisce con i legami covalenti che tengono insieme i polimeri e i prodotti sono i monomeri liberi

PROTEINE:
Ruolo di sostegno, strutturale, protezione, trasporto, catalisi, difesa, regolazione e movimento. I monomeri sono 20 amminoacidi Struttura molto complessa che ne determina la funzione
Gruppo amminico Gruppo carbossilico
Per il legame di due amminoacidi i gruppi funzionali reattivi sono il gruppo amminico e il gruppo carbossilico. La reazione di condensazione tra questi due gruppi determina la formazione di un LEGAME PEPTIDICO con liberazione di H2O.

CARBOIDRATI
Gli zuccheri, gli amidi e la cellulosa: costituiscono una riserva di energia, formati da C, H e O.

Se si tratta di una sola molecola di zucchero: monosaccaride
Se due molecole legate con legame glucosidico: disaccaride
Se piùmolecole: polisaccaride

I monosaccaridi

sono gli zuccheri più semplici formati da 3 a 7 atomi di C
Il composto a 3C più comune: gliceraldeide
5C: ribosio e desossiribosio
6C: glucosio, fruttosio e galattosio: esosi

Disaccaridi:

Maltosio: 2 glucosio,
saccarosio: 1 glucosio ed un fruttosio,
lattosio, 1 Glucosio ed 1 galattosio
Condensazione ed idrolisi

Monosaccaridi si uniscono a formare disaccaridi attraverso la formazione di LEGAMI GLICOSIDICI. Il legame glicosidico si instaura tra un gruppo ossidrilico (OH) su un monosaccaride e un gruppo ossidrilico (OH) sull’altro monosaccaride
Polisaccaridi: Sono più abbondanti (amidi, glicogeno, cellulosa) costituiti da unità ripetute di uno zucchero semplice (ad es. il glucosio) che possono formare catene lineari o ramificate, 2 tipi: se sono facilmente scindibili, hanno una funzione di riserva energetica.
Se non sono degradabili velocemente: funzione strutturale.
Amido: costituito da un’unità di glucosio (vegetali, riserva, accumulato nei plastidi). Amido si distingue in amilosio (non ram.) ed amilopectina (ram)più comune.
Glicogeno: forma di accumulo di glucosio nelle cellule animali. Molto ramificato, è più idrosolubile rispetto all’amido vegetale.
Cellulosa: il più abbondante dei polisaccaride,insolubile, ruolo strutturale, insolubile, l’uomo e la > parte degli animali non possiedono enzimi per idrolizzarla.

LIPIDI:
Sono solubili in solventi apolari e insolubili in H20. Costituiti di C e H poco O. Tra i lipidi più importanti ci sono i grassi neutri, i fosfolipidi, gli steroidi, i carotenoidi, e le cere. Funzioni: Carburanti biologici, Composti strutturali nelle membrane biologiche, Ormoni.
Trigliceridi: Grassi e oli. Sono i lipidi più abbondanti negli esseri Viventi. Riserva di Energia (più del doppio dei carboidrati). Sono costituiti da ACIDI GRASSI + GLICEROLO
Acidi grassi: possono essere SATURI o INSATURI. Gi acidi grassi sono ottimi depositi di energia
Alcune classi di lipidi non sono basate sulla struttura glicerolo-acido grasso, ma poiché sono costituite in larga parte da Carbonio e idrogeno, queste molecole sono classificate come lipidi
Tra questio lipidi troviamo: CAROTENOIDI, STEROIDI, VITAMINE, CERE

STRUTTURE CHE CARATTERIZZANO LE CELLULE
CELLULA PROCARIOTA

Membrana
citoplasma
DNA (senza nucleo)

CELLULA EUCARIOTA

Membrana
Organelli
Citoplasma
Nucleo (DNA)

Il batterio Pseudomonas aeruginosa illustra la struttura di una cellula procariotica: Flagello e capsula di peptidoglicano sono caratteristiche esclusive dei procarioti. La membrana più esterna è presente solo in alcuni batteri.
CELLULA ANIMALE

Membrana citoplasmatica -> separa la cellula dall’ambiente e regola il traffico di materiali dentro e fuori la cellula
Mitocondri -> sono le centrali elettriche della cellule
Citoscheletro -> composto di microtuboli, filamenti intermedi e microfilamenti; sostiene la cellula ed è coinvolto nel movimento della cellula e dei suoi organelli
Nucleo -> luogo dove si trova l maggior parte del DNA cellulare che, con le proteine associate, costituisce la cromatina*
Reticolo endoplasmatico rugoso -> sito della maggior parte della sintesi proteica
Reticolo endoplasmatico liscio
Apparato di golgi
Ribosomi
Centrioli-> coinvolti nella divisione nucleare

*la cromatina densa (scura) vicino all’involucro nucleare è attaccata alla lamina nucleare. La cromatina dispersa (chiara) è presente nel nucleoplasma.
Il nucleoplasma è costituito da:

Membrana esterna
Membrana interna
l’involucro nucleare è in continuità col reticolo endoplasmatico ed è costituito da un sistema di membrane concentriche attraversate da pori nucleari. Ogni poro è formato da un raggruppamento organizzato di proteine che attraversano la membrana e facilitano il trasporto delle olecole tra nucleo e citoplasma
cromatina
lamina nucleare: è una rete di filamenti immediatamente al di sotto dell’involucro nucleare. Essa interagisce con la cromatina e aiuta a sostenere l’involucro a cui è attaccata
rivestimento nucleare
poro nucleare: un ottagono di complessi proteici circonda ogni poro nucleare. Le fibrille proteiche sul lato nucleare formano una struttura a forma di canestro

La membrana nucleare mantiene il compartimento nucleare libero dagli organuli citoplasmatici.
Il reticolo endoplasmatico rugoso è costellato di ribosomi che sono i siti della sintesi proteica. Essi sono responsabili del suo aspetto rugoso.
Nel reticolo endoplasmatico liscio avvengono la sintesi dei lipidi e alcune modificazioni chimiche delle proteine
L’apparato di golgi elabora e impacchetta le proteine:

le vescicole contenenti proteine provenienti dal reticolo endoplasmatico trasferiscono le sostanze alla regione cis dell’apparato di golgi
l’apparato di golgi modifica chimicamente le proteine nel suo lume
e le indirizza alle corrette destinazioni
un lisosoma primario viene generato dal golgi
il lisosoma si fonde con un fagosoma (che contiene le particelle di cibo assunte per fagocitori)
le piccole molecole generate dalla digestione diffondono nel citoplasma
il materiale non digerito viene rilasciato

fagocitosi -> il lisosoma digerisce materiale alimentare => il lisosoma contiene enzimi idrolitici. Il vacuolo alimentare si fonde col lisosoma. Gli enzimi idrolitici digeriscono le particelle alimentari.
Autofagia -> il lisosoma si fonde con una vescicola contenente organelli danneggiati. Gli enzimi idrolitici digeriscono i componenti degli organelli.

Produzione di proteine:

l’involucro nucleare è in continuità strutturale con l’ER rugoso e quest’ultimo a sua volta con l’ER
le membrane e le proteine prodotta dall’ER migrano sotto forma di vescicole di trasporto verso l’apparato del golgi
l’apparato del golgi ingloba le vescicole di trasporto e le altre vescicole che danno origine ai lisosomi e ai vacuoli
il lisosoma è disponibile alla fusione con altre vescicole al fine di operare la digestione dei materiali contenuti all’interno di quest’ultime
la vescicola di trasporto veicola a livello di membrana citoplasmatica le proteine destinate a essere secrete dalla cellula
la membrana citoplasmatica si amplia attraverso la fusione di vescicole; le proteine vengono secrete dalla cellula

Traffico vescicolare all’interno del citoplasma -> il RE e il complesso di golgi fanno parte del sistema di endomembrane, che libera le proteine ed altre molecole nell’ambiente extracellulare e raccoglie le sostanze provenienti dall’ambiente esterno

le proteine sintetizzate dai ribosomi sul RE vanno a far parte delle membrane del RE oppure vengono rilasciate nello spazio interno delle cisterne del RE. È a questo livello che inizia la modificazione chimica di alcune proteine. Anche i lipidi di membrana sono sintetizzati dal RE
le vescicole gemmano dalle membrane del RE e trasportano i lipidi e le proteine (non ancora nella loro forma finale) al complesso di golgi
le modificazioni dei lipidi e delle proteine sono completate nel complesso di golgi; i prodotti finali sono smistati in vescicole che gemmano dal complesso
le vescicole secretorie, che gemmano dalle membrane del golgi, trasportano i prodotti finali verso la membrana plasmatica. I prodotti finali sono liberati via esocitosi. Altre vescicole invece, rimangono nel citoplasma come riserva
i lisosomi che gemmano dalle membrane del golgi contengono enzimi idrolitici che digeriscono organelli danneggiati oppure il contenuto di vescicole endofitiche che si fondano con essi. Le vescicole endofitiche si formano a livello della membrana plasmatica e si muovono all’interno del citoplasma

mitocondri ->

membrana esterna
spazio intermembrana
membrana interna: principale barriera tra il citosol e gli enzimi mitocondriali
matrice: contiene i ribosomi, DNA e diversi enzimi che partecipano alla respirazione cellulare
le creste contengono molecole cruciali per la produzione di ATP a partire la altre molecole

Citoscheletro:determina la forma, dà sostegno e fornisce alla cellula la capacità di muoversi. Costituito da: Microtubuli (assemblato a partire da sub unità di tubolina), Microfilamenti (costituito da due filamenti di actina avvolti uno sull’altro a formare una doppia elica), Filamenti Intermedi (ogni singola sub unità di filamento, è formata da otto filamenti proteici avvolti assieme).
Molte cellule animali sono in contattto con la matrice extracellulare. Questa matrice è costituita da proteine fibrose come ad esempio il COLLAGENE, da glicoproteine chiamate proteoglicani e da altre proteine fibrose. Tutte queste proteine, insieme ad altre sostanze specifiche per certi tessuti corporei, vengono secrete dalle cellule presenti dentro o vicino alla matrice
Le funzioni della matrice extracellulare sono numerose:

Agisce da collante tenendo insieme le cellule nei tessuti
Contribuisce alle proprietà fisiche della cartilagine, della pelle e di altri tessuti
Aiuta a filtrare i materiali che passano tra i diversi tessuti
Contribuisce ad orientare i movimenti cellulari durante lo sviluppo embrionale e durante la riparazione dei tessuti
Partecipa alla segnalazione chimica tra le cellule

La quantità di matrice cellulare varia a seconda del tessuto. Nel tessuto nervoso la matrice è scarsa, mentre nel tessuto osseo e cartilagineo la matrice è molto abbondante.

CELLULA VEGETALE

Parete cellulare: sostiene la cellula vegetale
Membrana citolasmaticata
Ribosomi liberi: sintesi proteica
Reticolo endoplasmatico rugoso
Mitocondrio
Apparato di golgi: elabora e impacchetta le proteine
Plasmodesmi
Cloroplasti: raccolgono l’energia solare per produrre zuccheri
Reticolo endoplasmatico liscio: proteine e altre molecole vengono modificate chimicamente
Perossisomi: decompongono i perossidi tossici

Caratteristiche distintive delle cellule vegetali:

Plastidi
Vacuoli
Parte cellulare

Plastidi
Organuli formati da DNA, RNA e ribosomi, delimitati da una doppia membrana e contenenti sistemi di membrane interne. Si dividono in:

Cloroplasti: fotosintesi, producono materiale alimentare da CO2, acqua ed energia solare.
Cromoplasti: producono e depositano i pigmenti colorati depositati nei semi, fiori e frutti.
Leucoplasti: plastidi incolori, funzione di deposito per carboidrati, lipidi o proteine.
Amiloplasti: depositi di zuccheri sotto forma di amido, sono i più conosciuti

Nel cloroplasto => l’ATP viene usato per convertire CO2 in glucosio nello stroma, la regione all’estremo della membrana dei tilacoidi. Le membrane tilacoidi sono i siti dove l’energia luminosa viene raccolta dal pigmento verde e convertita in ATP. Una pila di tilacoidi è detta Granum

Vacuoli
Sacculi contenenti liquido. Occupano quasi tutto il volume della cellula vegetale: consentono alla cellula di ingrandirsi senza produrre sostanze: risparmio di energia. Riserva di acqua importante nei periodi di siccità. La membrana che riveste il vacuolo si chiama tonoplasto che consente al vacuolo di contenere all’interno materiale alimentare, pigmenti antocianinici, sali, scorie, enzimi digestivi,sostanze tossiche.

Parete cellulare
Riveste la membrana plasmatica, mantiene la conformazione della cellula, cementa tra di loro cellule adiacenti definendo la struttura della pianta. Costituita da cellulosa e da altre fibre, consente il passaggio di acqua e di piccole molecole, rigida da sostenere la pianta ma flessibile per consentire alla pianta di piegarsi senza rompersi.

LA MEMBRANA CELLULARE
Le membrane cellulari: delimitano i contorni della cellula e dei suoi diversi compartimenti interni
Funzioni della membrana:

Costituire una protezione per la cellula e i suoi compartimenti
Costituire siti di specifiche funzioni
Contenere proteine di trasporto per regolare il movimento di sostanze tra interno ed esterno o tra i vari organelli
Contenere i recettori necessari per rilevare i segnali esterni
Fornire i dispositivi per la comunicazione cellula-cellula e per l’adesione cellulare

La membrana plasmatica è una barriera di permeabilità. Permeabilità selettiva a determinate sostanze. Divisione in compartimenti funzionali.
Composizione delle membrane biologiche: lipidi; proteine; carboidrati.
Le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato fosfolipidico. Il doppio strato fosfolipidico definisce la struttura della membrana ed è costituito da molecole antipatiche.
Aggiunta di colina alla struttura acido grasso/glicerolo: FOSFOLIPIDE
Le code degli acidi grassi di membrana formano una barriera idrofobica per la diffusione delle sostanze solubili in acqua (polari).
Le code non polari i idrofobe degli acidi grassi interagiscono reciprocamente. Le teste idrofile e dotate di carica (polari) interagiscono con le molecole d’acqua, anch’esse polari.
Le catene di acidi grassi che compongono i fosfolipidi possono variare in lunghezza, per grado di insaturazione (presenza di doppi legami) e presenza di gruppi polari (gruppi fosfato). Il doppio strato fosfolipidico stabilizza l’intera struttura della membrana lasciandola tuttavia flessibile ma non rigida
Fluidità di membrana: La temperatura è un importante fattore che regola la fluidità di membrana, infatti al variare della temperatura si assiste ad una differente motilità delle catene di atomi di carbonio dei fosfolipidi. Temperature basse: minore mobilità; Temperature più alte: maggiore fluidità
Un altro fattore che regola la fluidità di membrana è la lunghezza delle catene di acidi grassi. Se sono corte la fluidità èmaggiore. La presenza di acidi grassi insaturi favorisce la fluidità della membrana. Una scarsa quantità di colesterolo favorisce la fluidità della membrana
Maggiore fluidità, maggior movimento dei fosfolipidiCome si muovono i fosfolipidi? 3 modi:

Rotazione intorno al proprio asse
Diffusione laterale all’interno dello stesso emistrato
Movimento flip-flop: diffusione trasversale (enzimi chiamati flippasi)

Tutte le membrane biologiche contengono proteine. Possiamo distinguere le proteine di membrana in base alla loro localizzazione nel doppio strato in PROTEINE INTEGRALI e PROTEINE PERIFERICHE
Proteine integrali ->

i gruppi idrofili R appartenenti alle regioni esposte della proteina interagiscono con l’ambiente acquoso
i gruppi idrofobi R interagiscono con la parte interna idrofoba della membrana, mantenendosi fuori dal contatto con l’acqua
PROTEINE INTEGRALI MONOPASSO O MULTIPASSO

Proteine periferiche ->

Si associano ai gruppi polari dei fosfolipi di membrana rivolti verso l’interno o verso l’esterno della cellula mediante legami non covalenti
Si possono associare anche con una proteina integrale di membrana

Le membrane sono strutture estremamente dinamiche e possson0 formarsi continuamente, trasformarsi da un tipo in un altro, fondersi l’una con le altre e frammentarsi.
Oltre a lipidi e proteine, molte membrane contengono notevoli quantità di carboidrati. Questi carboidrati sono localizzati sul versante esterno della membrana e funzionano come siti di riconoscimento.
I carboidrati possono essere associati sia a lipidi che a proteine

I GLICOLIPIDI: funzionano come segnali di riconoscimento per le interazioni cellulari. Per esempio, i carboidrati di alcuni glicolipidi cambiano la loro composizione quando la cellula diventa cancerosa. Proprio tale cambiamento può permettere ai globuli bianchi di individuare le cellule alterate e distruggerle
LE GLICOPROTEINE permettono ad una cellula di essere identificata da parte di altre cellule o proteine

Come è possibile tenere insieme le cellule di un tessuto?

Riconoscimento cellulare in seguito a cui una cellula si lega specificatamente ad un’altra cellula di un certo tipo
Adesione cellulare che permette lo stabilirsi di una connessione tra due cellule

In entrambi questi processi la membrana plasmatica gioca un ruolo fondamentale. il riconoscimento tra cellule avviene grazie a glicoproteine di superficie.
In un organismo pluricellulare complesso, oltre alle glicoproteine che permettono a certi tipi di cellule di legarsi tra loro dopo riconoscimento, spesso le cellule stesse forniscono materiale per strutture di membrana aggiuntive per permettere la loro connessione
Queste strutture si chiamano GIUNZIONI CELLULARI e sono particolarmente evidenti nei tessuti epiteliali. Tre diversi tipi di giunzioni: GIUNZIONI OCCLUDENTI, DESMOSOMI, GIUNZIONI SERRATE.
Le giunzioni occludenti sono strutture specializzate che uniscono cellule epiteliali limitrofe formando una serie di punti di collegamento tra le due cellule. Impediscono alle sostanze di muoversi in modo incontrollato attraverso gli spazi intercellulari. Ad esempio nel lume intestinale queste giunzioni fanno si che tutte le sostanze presenti nel lume passino attraverso le cellule intestinali. Le proteine delle giunzioni colludenti formano una sorta di “superficie trapuntata” che impedisce il movimento delle sostanze disciolte attraverso lo spazio fra le cellule epiteliali
I desmosomi uniscono le membrane di cellule adiacenti e mantengono le cellule strettamente unite con un meccanismo paragonabile ai punti di sutura. Ogni desmosoma è formato da una struttura definita PLACCA a cui sono legate proteine di adesione che fanno da ponte. Dalla placca si dipartono fibre citoplasmatiche di cheratina che danno stabilità alla giunzione. I desmosomi collegano strettamente cellule adiacenti, ma permettono in movimento di materiali all’interno dello spazio intercellulare
Le giunzioni serrate facilitano la comunicazione tra cellule Sono costituite da particolari proteine canali chiamate CONNESSONI che attraversano le membrane plasmatiche di due cellule vicine e il relativo spazio intercellulare, permettendo il passaggio di piccole molecole e ioni. Le giunzioni serrate consentono la comunicazione tra cellule adiacenti.
Funzioni delle membrane:

Delimitano i contorni della cellula e dei suoi organuli
Costituiscono i siti di specifiche proteine soprattutto enzimi e recettori
Assicurano e regolano i processi di trasporto
Contengono i recettori necessari per rilevare i segnali esterni
Forniscono i meccanismi per il contatto, la comunicazione e per l’adesione tra cellule

MECCANISMI DI TRASPORTO ATTRAVARSO LA MEMBRANA
OMEOSTASI: Processo attraverso cui viene mantenuto un ambiente interno consono per il mantenimento della vita. La cellula muta quindi in continuazione per mantenere costanti le condizioni.
Ogni cosa in natura è in movimento e una conseguenza di questo movimento casuale è che all’interno della soluzione tutte le molecole tendono a raggiungere una distribuzione uniforme
Una soluzione in cui le particelle di soluto sono uniformemente distribuite viene definita in EQUILIBRIO
La diffusione è il processo di movimento casuale verso lo stato di equilibrio e più specificatamente la diffusione è il movimento netto di particelle da regioni a concentrazione maggiore a regioni a concentrazione minore.
La velocità con cui una sostanza diffonde dipende essenzialmente da 4 fattori:

Diametro delle molecole o degli ioni: le molecole più piccole diffondono più rapidamente;
Temperatura della soluzione: una temperatura più alta determina una maggiore velocità di diffusione perché gli ioni o le molecole hanno più energia
La carica elettrica
Il gradiente di concentrazione, maggiore è il gradiente maggiore è la velocità di diffusione

All’interno delle cellule, o quando le distanze da percorrere sono molto piccole, i soluti si distribuiscono rapidamente per diffusione. La diffusione come meccanismo di trasporto non è efficiente per lunghe distanze.
In una soluzione priva di barriere, tutti soluti diffondono ad una velocità determinata dalla temperatura, dal gradiente di concentrazione e dalle loro proprietà fisiche. Se una soluzione è divisa dalla presenza di una membrana il movimento dei soluti dipende dalle proprietà della membrana che viene definita PERMEABILE o IMPERMEABILE ai soluti che la attraversano.
Diffusione di soluti attraverso la membrana => spostamento da una parte all’altra per raggiungere un equilibrio di concentrazione
Passaggio di acqua attraverso una membrana semipermeabile: osmosi, diffusione dell’acqua.
Tra due soluzioni quella a maggior concentrazione viene definita ipertonica, quella a minore ipotonica. Soluzioni che hanno la stessa concentrazione sono definite isotoniche.
L’acqua si sposta, attraverso la membrana da una soluzione ipotonica verso una soluzione ipertonica
Le sostanze possono essere trasportate da un lato all’altro della membrana secondo due meccanismi di trasporto:

Trasporto passivo: secondo gradiente di concentrazione
Trasporto attivo: contro gradiente di concentrazione

Le molecole idrofobe e quelle polari di dimensioni molto piccole possono diffondere liberamente attraverso il doppio strato attraverso un meccanismo che si chiama DIFFUSIONE È un tipo di trasporto passivo
TRASPORTO PASSIVO: le molecole diffondono spontaneamente secondo il loro gradiente di concentrazione, attraverso la membrana attraverso la membrana senza alcuna spesa energetica
Le sostanze polari, gli zuccheri e gli ioni attraverso la membrana? Due possibilità:

Proteine integrali di membrana possono formare dei CANALI per il passaggio di tali sostanze
Ia presenza di proteine di trasporto sulla membrana plasmatica che può accelerare la diffusione di tali sostanze

In questo caso si parla di DIFFUSIONE FACILITATA, sempre per gradiente di concentrazione, quindi è un tipo di trasporto passivo

Proteine canale: formano un poro attraverso il doppio strato lipidico, quando questo è aperto permette il passaggio di determinati soluti (più veloce)
Proteine trasportatrici: legano la molecola che devono trasportare e subiscono un cambiamento conformazionale che permette il trasferimento della molecola dall’altro lato della membrana (più lento)

È un tipo di trasporto passivo perchè avviene secondo gradiente di concentrazione.
MECCANISMO DI TRASPORTO PASSIVO
Diffusione facilitata di ioni attraverso le membrane secondo gradiente di concentrazione
Canali ionici -> I canali ionici possono esistere sia in una forma aperta che chiusa. Che cosa regola l’apertura o la chiusura?

il voltaggio (canale voltaggio-dipendente)
un ligando

Canale ligando dipendente: una certa sostanza polare è più concentrata sul lato esterno della cellula rispetto a quello interno. Il legame con la molecola stimolo determina l’apertura del poro e la sostanza polare può diffondere attraverso la membrana.
Le proteine di trasporto facilitano la diffusione di sostanze di maggiori dimensioni sempre secondo gradiente di concentrazione

TRASPORTO ATTIVO contro gradiente di concentrazione con apporto di energia. Necessità di proteine trasportatrici.
Alcune proteine di trasporto funzionano come pompe, spostando sostanze chimiche attraverso la membrana contro il loro gradiente di concentrazione (o elettrochimico). L’energia necessita per questo tipo di lavoro è fornita dall’ATP.

Tramite l’uniporto viene spostata una sola sostanza in una sola direzione
Tramite il simporto vengono spostate due sostanze diverse nella stessa direzione
Tramite l’antiporto vengono spostate due diverse sostanze in direzioni opposte

Esistono due diversi tipi di trasporto attivo:

Trasporto attivo primario, richiede la presenza di ATP come molecola ad alto contenuto energetico
Trasporto attivo secondario, non prevede la partecipazione diretta di ATP e il contributo energetico viene fornito dal gradiente di concentrazione ionica instauratosi mediante trasporto attivo primario

POMPA Na+-K+

Un terzo dell’energia richiesta da una cellula serve per farla funzionare
Nei neuroni due terzi dell’energia richiesta dalla cellula serve per la pompa Na+-K+ (a causa della propagazione dell’impulso nervoso)
E’ elettrogenica, cioè crea un potenziale elettrico (è per il 10% responsabile per il potenziale di membrana)

Trasporto attivo primario: la pompa protonica; la pompa sodio potassio sposta Na+, utilizzando l’energia derivata dall’idrolisi di ATP per stabilire un gradiente di concentrazione di Na+
Trasporto attivo secondario: gli ioni sodio, muovendosi secondo il gradiente di concentrazione instauratasi attraverso la pompa sodio potassio, determinano il trasporto del glucosio contro il suo stesso gradiente di concentrazione.
Come avviene il passaggio di grosse molecole attraverso la membrana?

ENDOCITOSI: la membrana plasmatica accoglie materiale di una porzione dell’ambiente esterno a forma di vescicola
ESOCITOSI: la vescicola confluisce nella membrana plasmatica. Il contenuto della vescicola viene liberato e la membrana che lo avvolgeva diviene parte integrante della membrana plasmatica

ENDOCITOSI è un termine generico riferito a un tipo di processo con cui piccole molecole, grandi molecole, grandi particelle e persino piccole cellule possono entrare nella cellula eucariotica
Tre diverse forme di endocitosi:

FAGOCITOSI
PINOCITOSI
ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI

ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI
Perché questo tipo di endocitosi avvenga è necessaria la presenza di proteine particolari sulla membrana. Queste proteine si chiamano proteine recettoriali ovvero proteine integrali di membrana in grado di legarsi a molecole presenti nell’ambiente. Queste proteine sono localizzate in siti specifici della membrana definiti come FOSSETTE. La membrana di queste fossette è rivestita sul lato citoplasmatico da proteine peculiari come la CLATRINA. La struttura endofitica formatasi prende il nome di FOSSETTA RIVESTITA

DNA e duplicazione del DNA
Il materiale genetico deve essere capace di:

Contenere l’informazione necessaria per costruire l’intero organismo
Passare dai genitori ai figli e da cellula a cellula durante la divisione cellulare
Essere copiato accuratamente
Essere responsabile della variazione nota all’interno e tra specie

Livelli di struttura del DNA

I nucleotidi sono i blocchi costituenti il DNA (e RNA).
Un filamento di DNA (o RNA)
Due filamenti formano una doppia elica
In cellule vive, il DNA è associato con una serie di proteine differenti per formare i cromosomi
Un genoma è il materiale genetico di un individuo comprendente tutti i suoi componenti

DNA:

3 componenti :

Gruppo fosfato
Zucchero pentoso

Desossiribosio

Base azotata

Purine (doppio anello)

Adenina (A), guanina (G)

Pirimidine (anello singolo)

Citosina (C), timina (T),

RNA

3 componenti

Gruppo fosfato
Zucchero pentoso

Ribosio

Base azotata

Purine

Adenina (A), guanina (G)

Pirimidine

Citosina (C), Uracile(U)

Sistema di numerazione convenzionale

Atomi di carbonio dello zucchero da 1’ a 5’
Base azotata attaccata a 1’
Fosfato attaccato a 5’

Filamenti

Nucleotidi legati covalentemente
Legame fosfodiestere – il gruppo fosfato lega 2 zuccheri
Fosfati e zuccheri dello scheletro
Le basi si proiettano dallo scheletro
Direzione- 5’ to 3’
5’ – TACG – 3’

Il DNA è un Doppio filamento , a elica. Lo scheletro è costituito dalla coppia zucchero-fosfato; le basi sono all’interno. È stabilizzato da legami ad idrogeno. Le coppie di basi con appaiamento specifico
Regola AT/GC o di Chargaff

A si appaia a T
G si appaia a C

10 paia di basi per giro
I 2 filamenti di DNA sono complementari

5’ – GCGGATTT – 3’
3’ – CGCCTAAA – 5’

I 2 filamenti sono anti-paralleli

Un filamento da 5’ a 3’
Altro filamento da 3’ a 5’

Duplicazione => Sono stati proposti alla fine del 1950 3 modelli diversi per la duplicazione del DNA:

Semiconservativo
Conservativo
Dispersivo

I filamenti di nuova generazione sono i filamenti figli. I filamenti originari sono i filamenti parentali.
Durante la duplicazione i 2 filamenti parentali si separano e funzionano da filamenti stampo. I nuovi nucleotidi devono obbedire alla regola AT/GC . Alla fine si producono 2 nuove doppie eliche con la stessa sequenza di basi dell’originale
L’Origine di duplicazione rappresenta il Sito di inizio per la duplicazione. La Duplicazione è bi-direzionale e procede verso l’esterno in direzioni opposte. I batteri hanno una sola origine di replicazione, mentre gli eucarioti richiedono origini multiple
L’origine di duplicazione fornisce un’apertura che si chiama bolla di duplicazione da cui partono due forche di replicazione. La duplicazione del DNA avviene in prossimità della forca.

DNA elicasi -> Si lega al DNA e viaggia da 5’ a 3’ usando ATP per separare il filamento e muovere la forca in avanti
DNA topoisomerasi ->Svolge l’ulteriore avvolgimento davanti alla forca di duplicazione
Proteine che si legano al filamento singolo -> Mantengono i filamenti parentali aperti per poter agire da stampo
DNA polimerasi ->Lega in modo covalente i nucleotidi desossinucleosidi trifosfato ->Nucleotidi liberi con 3 gruppi fosfato ->La rottura del legame covalente rilascia pirofosfato (2 gruppi fosfato) fornendo energia per connettere i nucleotidi adiacenti
Il DNA polimerasi è capace di legare in modo covalente i nucleotidi tra loro a partire da un primer. Il DNA polimerasi può legare i nucleotidi sono il direzione 5’ a 3’
La sintesi inizia con un primer. Procede da 5’ a 3’ Il filamento guida è sintetizzato in direzione della forca che si muove ed è sintetizzato come una lunga molecola singola.

DNA polimerasi possiede 2 caratteristiche enzimatiche che spiegano perché il filamento guida e ritardato sono duplicati diversamente: La DNA polimerasi è incapace di iniziare la sintesi di DNA su un filamento stampo nudo
Di conseguenza, la DNA primasi deve fare un corto primer di RNA che sarà poi rimosso e sostituito successivamente con DNA: La DNA polimerasi può funzionare soltanto in direzione 5’ to 3’

La DNA primasi fa i primer di RNA per iniziare il processo di replicazione
Il DNA polimerasi fa il DNA a partire dal primer di RNA, la primasi salta indietro all’apertura della forca e fa un secondo primer a RNA per il filamento ritardato
La DNA polimerasi continua a allungare il filamento guida ed il filamento ritardato, la DNA polimerasi sintetizza DNA dal secondo primer a rimuove il primo primer e lo sostituisce con DNA
Nel filamento ritardato la DNA ligasi forma un legame covalente tra il primo e il secondo frammento di Okazaki. Il filamento guida continua ad allungarsi

Nel filamento guida

DNA primasi sintetizza un primer di RNA
DNA polimerasi attacca i nucleotidi in direzione 5’-3’ non appena si muove in avanti

Nel filamento ritardato

DNA sintetizzato da 5’ a 3’ ma nella direzione opposta alla forca
I frammenti di Okazaki generati come un corto primer di RNA fatto dalla DNA primasi all’estremità 5’ e poi il DNA sintetizzato dalla DNA polimerasi
I primer di RNA sono rimossi dalla DNA polimerasi e riempiti con DNA
DNA ligasi unisce I frammenti adiacenti di DNA

La duplicazione del DNA è molto accurata e questo è dovuto principalmente per tre motivi:

Il legame ad idrogeno tra A e T o G e C è più stabile rispetto a basi non appaiate in modo non corretto
È improbabile che il sito attivo della DNA polimerasi formi legami se le coppie di basi sono sbagliate
La DNA polimerasi rimuove gli appaiamenti non corretti, i risultati sono a prova di errore perchè la DNA polimerasi torna indietro e digerisce i legami non corretti. Questa attività di correzione è effettuata anche da Altri enzimi di riparo del DNA

La famiglia delle DNA polimerasi

3 fattori importanti per la DNA polimerasi sono velocità, fedeltà, e completezza
Pressoché tutte le specie viventi hanno più di 1 tipo di DNA polimerasi
Gli esseri umani hanno 12 diverse DNA polimerasi

Un particolare tipo di duplicazione avviene in prossimità dei telomeri. I telomeri sono una serie di sequenze ripetute all’interno del DNA situate alla fine del cromosoma. I telomeri al 3’ non hanno un filamento complementare e questa regione è chiamata sporgenza al 3’

DNA polimerasi non può copiare la punta del filamento di DNA con l’estremità 3’, non c’è spazio per sintetizzare un primer a monte. Se questo problema di replicazione non si risolve, i cromosomi lineari diventano progressivamente più corti.
Telomerasi impedisce l’accorciamento di cromosomi , attacca molte copie di sequenze ripetute di DNA alle estremità dei cromosomi, fornisce un sito a monte per il primer di RNA.

Come si passa dall’informazione contenuta nel DNA alle proteine?

Trascrizione
Traduzione

Gene = unità ereditaria che contribuisce alle caratteristiche o tratti di un organismo. A livello molecolare, un gene è composto da sequenze organizzate di DNA
I geni contengono le informazioni necessarie per generare un organismo e per consentirne un’interazione favorevole con il suo ambiente. I geni strutturali codificano per polipeptidi.
Polipeptide: sequenza lineare di aminoacidi. Un polipeptide diventa l’unità funzionale di una proteina. Le attività di proteine determinano la struttura e la funzione delle cellule. I tratti o caratteristiche di un organismo sono basate sulle attività cellulari.
L’espressione di un gene per diventare un polipeptide avviene in due tappe fondamentali.
Durante la TRASCRIZIONE l’informazione contenuta in una particolare sequenza di DNA (il gene) viene copiata nell’informazione corrispondente di una sequenza di RNA
Durante la TRADUZIONE questa sequenza di RNA viene tradotta nella sequenza di amminoacidi di un polipeptide

Dogma centrale :
Trascrizione => Produce una copia di RNA o trascritto di un gene. I geni strutturali generano un RNA messaggero (mRNA) che specifica la sequenza amminoacidica di un polipeptide
Traduzione => Processo di sintesi di un polipeptide specifico in un ribosoma
Questo è vero per gli eucarioti, ma non per il virus
Trascrizione

Un gene è un’unità organizzata di sequenze di DNA che permette ad un frammento di DNA di essere trascritto in RNA per produrre infine la formazione di un prodotto funzionale
Oltre il 90% di tutti i geni sono strutturali (proteine)
Gli altri geni codificano per molecole di RNA specifiche

RNA transfer (tRNA) – traduce mRNA in amminoacidi
RNA ribosomiale (rRNA) – parte dei ribosomi

Cosa è necessario per trascrivere un gene?

Una sequenza stampo di DNA
Ribonucleotidi trifosfato che agiscono da substrato (liberi)
L’enzima RNA POLIMERASI. Questo enzima catalizza la sintesi di RNA a partire da DNA. Struttura simile tra procarioti e eucarioti .

L’enzima riconosce particolari basi all’interno della sequenza di DNA e vi si lega. Quando lo stampo si è legato la RNA polimerasi si “stringe” sul DNA mantenendolo a doppio filamento in un COMPLESSO CHIUSO.
Cambio di conformazione della RNA polimerasi determina la denaturazione di una breve sequenza di basi di DNA e la formazione di un COMPLESSO APERTO
Il complesso aperto rende le basi disponibili all’accoppiamento con i ribonucleotidi e quindi la sintesi di RNA
La trascrizione avviene in tre stadi

Inizio
Allungamento
Terminazione

INIZIO DELLA TRASCRIZIONE: esiste una particolare sequenza sul DNA definita PROMOTORE che dà l’inizio alla trascrizione.L’RNA polimerasi si lega al PROMOTORE di un gene ed inizia a copiare la sequenza di DNA (filamento stampo) in una catena di RNA chiamata RNA messaggero.
ALLUNGAMENTO. Una volta legata al promotore, la RNA pol inizia l’allungamento, svolge il DNA di circa 10 nt alla volta e copia producendop un filamento 5’-3’. Aggiunge nucleotidi partendo dall’estremità 3’ dello stampo.
TERMINAZIONE. La polimerasi riconosce un segnale di terminazione di trascrizione costituito da una particolare sequenza di basi presente sul DNA. Il riconoscimento di questa sequenza determina il rilascio sia della molecola di RNA che del filamento stampo
Il gene da trascrivere è indicato dalla presenza del promotore che potrà essere su uno qualsiasi dei due filamenti. La sintesi di RNA avverrà sempre a partire dall’estremità 3’ del DNA.
Geni procariotici ed eucariotici I geni batterici sono rappresentati da una sequenza ininterrotta che codifica per una o più proteine. I geni eucariotici hanno sequenze codificanti (esoni) interrotte da sequenze non codificanti (introni). Nei procarioti le molecole di mRNA vengono legate dai ribosomi mentre vengono prodotte dall’RNA polimerasi, mentre negli eucarioti le fasi di trascrizione (nel nucleo) e traduzione (nel citoplasma) avvengono in modo temporalmente e spazialmente separato grazie alla presenza della membrana nucleare.

Maturazione dell’mRNA eucariotici I trascritti primari destinati a diventare mRNA subiscono delle modificazioni che vengono definite come processi di maturazione dell’RNA:

1)Splicing
2)Incappucciamento
3)Poliadenilazione

NB: l’mRNA dei procarioti non subisce queste modificazioni .

Splicing di RNA => rimozione delle sequenze non codificanti (introni), gli esoni vengono uniti tra loro
I mRNA batterici possono essere tradotti in polipeptidi non appena sono prodotti
I mRNA eucarioti sono prodotti sotto forma di un pre-mRNA, più lungo, che richiede un processamento nella forma matura di mRNA

Un gene viene trascritto come pre-mRNA. Il pre-mRNA contiene sia introni che esoni. Gli introni sono sequenze trascritte ma non tradotte Gli esoni sono sequenze codificanti che si trovano nel mRNA maturo SPLICING: rimozione di introni e connessione di esoni Possono anche verificarsi altre modificazioni – aggiunte di code e cappucci In seguito a queste modificazioni: RNA maturo
Gli introni si trovano in molti geni eucarioti. Molto diffusi in eucarioti complessi. Il gene umano della distrofina ha 79 esoni e 78 introni. Gli introni sono rari in tutti i procarioti. Gli introni sono rimossi dal pre-mRNA eucariotico usando lo spliceosoma composto da snRNPs (snurps) RNA nucleare ed un set di proteine
RNA di un introne è definito da sequenze particolari nell’introne e ai confini introne-esone sito 5’ di splicing, sito 3’ di splicing. Le subunità dello spliceosoma riconoscono le sequenze introni che. Il legame fa sì che l’introne formi un‘ansa esterna. I due esoni sono portati più vicino tra loro
Splicing alternativo- funzione regolata dallo spliceosoma in modo che un singolo gene possa codificare 2 o più polipeptidi

Incappucciamento dell’mRNA degli eucarioti All’estremo 5’ viene aggiunto un nucleotide atipico non appena viene prodotto dalla polimerasi Necessario per l’uscita di mRNA dal nucleo e per il legame al ribosoma

Poliadenilazione dell’mRNA degli eucarioti: Aggiunta di estremità 3’ di una di una serie di adenine(A)= coda di poliA, serve a esportare l’RNA dal nucleo , stabilizza l’mRNA e svolege un ruolo importante per la sintesi proteica

L’mRNA quando ha subito questo processo di maturazione migra dal nucleo al citoplasma
Nella traduzione di un mRNA, che avviene in direzione 5’-3’, la sequenza nucleotidica viene letta in gruppi consecutivi di 3 nucleotidi chiamati TRIPLETTE.

L’mRNA è costituito da 4 nucleotidi diversi la cui combinazione potrà generare 64 diverse triplette o codoni.
Dal momento che gli amminoacidi sono solo 20, alcuni amminoacidi sono codificati da più triplette e 3 codoni corrispondono al segnale di stop della traduzione. Le tre lettere sono costituite da tre basi nucleotidiche che codificano per un dato amminoacido
Serie di triplette che codificano per 20 amminoacidi (più di una tripletta può codificare per un amminoacido). Il codice genetico è dindondante e degenerato, ma non ambiguo
Traduzione

Il Codice genetico collega i geni (DNA) al mRNA e questo agli amminoacidi che poi formeranno le proteine.
L’informazione contenuta è costituita da “parole” a tre lettere non sovrapposte.
Le tre lettere sono costituite da tre basi nucleotidiche (triplette) e prendono il nome di codoni
La maggior parte dei codoni specificano un determinato amminoacido
Esistono codoni di inizio e di stop

mRNA è caratterizzato da:

Un sito al 5’ per il legame al ribosoma
Codone di inizio solitamente AUG
1 dei 3 codoni di stop: UAA, UAG o UGA

Tipi di RNA: Nella sintesi proteica intervengono 3 diversi tipi di RNA.

mRNA= RNA messaggero, intermedio nel trasferimento delle informazioni dai geni alle proteine, iene letto da parte dell’apparato trasformatore.
tRNA= RNA di trasferimento, adattatore molecolare indispensabile per la traduzione del messaggio; riconosce la tripletta e porta l’amminoacido giusto.
rRNA= RNA ribosomiale, componente strutturale fondamentale dei ribosomi, ossia delle macchine che traducono il messaggio, singolo filamento ma che ha delle porzioni che risultano appaiate.

Come viene tradotto il RNA in proteine? Richiede la presenza di una molecola che associa l’informazione contenuta nei codoni di mRNA a specifici amminoacidi che fanno parte delle proteine Questa funzione viene svolta dal tRNA e in particolare

1)Il tRNA deve leggere correttamente i codoni del mRNA
2)Il tRNA deve trasportare l’amminoaido corrispondente al codone letto sul mRNA

Il codone sul mRNA e l’amminoacido corrispondente sono reciprocamente collegati per mezzo del tRNA, che funge quindi da ADATTATORE
Per ciiascuno dei 20 amminoacidi esiste almeno un tipo specifico di tRNA che trasporta l’amminoacido, si associa con molecole di mRNA ed è in grado di interagire con i ribosomi
La sua struttura si adatta per svolgere queste funzioni
Diverse molecole di RNAtransfer (tRNA) sono codificate da geni diversi. Sono tutte caratterizzate da:

Struttura a trifoglio
Anticodone
Stelo accettore per il legame con l’amminoacido

Il caricamento di ciascun tRNA con il giusto amminoacido viene effettuato da una famiglia di enzimi definiti AMMINOACIL-tRNA-SINTETASI. Questo enzima catalizza l’attacco degli amminoacidi a tRNA L’enzima possiede un sito attivo formato da tre parti che riconosce tre molecole diverse:

L’amminoacido specifico
Una molecola di ATP
Uno specifico tRNA

Il riconoscimento del tRNA da parte dell’enzima è piuttosto specifico e caratterizzato da un basso tasso di errori. Anche il tasso di errore per il riconoscimento dell’amminoacido è molto basso
Dal momento che questi enzimi sono caratterizzati da una così alta specificità, il processo di caricamento dei tRNA viene talvolta definito come SECONDO CODICE GENETICI

Ribosomi

Composti da una grande e da una piccola subunità
Struttura complessiva del ribosoma determinata da rRNA
Siti specifici per il legame di tRNA e per la sintesi di un polipeptide
Sito P - sito peptidico
Sito A - sito amminoacidico
sito E- sito di uscita

i ribosomi possiedono una forma irregolare e sono formati da due sub unità. Vi sono tre siti di legame per i tRNA. Le interazioni codone-anticodone tra tRNA e mRNA si verificano soltanto in corrispondenza dei siti P e A.

Stadi della Traduzione

Inizio: RNA, primo tRNA con il primo amminoacido si assemblano
Allungamento: Sintesi del polipeptide a partire dal codone di inizio fino al codone di STOP
Terminazione: il complesso si dissocia dal codone di stop rilasciando il poilpeptide rilasciando il polipeptide completato

Inizio

mRNA, il primo tRNA e le subunità ribosomali si assemblano
Richiede l’aiuto dei fattori di inizio ribosomali
Richiede anche l’apporto di energia (idrolisi di GTP)

La sub unità minore del ribosoma si lega a una molecola di mRNA. In una cellula batterica, il sito di legame per l’mRNA di questa sub unità riconosce una specifica sequenza nucleotidica dell’mRNA posizionata a monte del codone di inizio. Un tRNA di inizio con l’anticodone UAC, specifico per l’amminoacido metionina, si appaia con il codone di inizio AUG.
L’arrivo della sub unità ribosomiale maggiore completa il complesso di inizio della traduzione. Le proteine note come fattori di inizio sono necessarie per assemblare tutti i componenti della traduzione. Il GTP favorisce l’energia richiesta per il processo di assemblaggio. Il tRNA di inizio è posizionato sul sito P; il sito A è disponibile per il tRNA che porta l’amminoacido successivo

Allungamento
Amminoacil tRNA porta un nuovo amminoacido al sito A. Il legame avviene per il riconoscimento codone/ anticodone. Fattori di allungamento idrolizzano GTP per fornire l’energia per legare il tRNA al sito A. Peptidil tRNA è nel sito P ; Amminoacil tRNA è nel sito A
Si forma un legame peptidico tra l’amminoacido nel sito A e la catena polipeptidica crescente. Il polipeptide è rimosso dal tRNA nel sito P e trasferito all’amminoacido nel sito A-reazione di trasferimento peptidico
Movimento o traslocazione del ribosoma di un codone verso l’estremità 3’ del mRNA :Spostamenti dei tRNA dai siti P ed A ai siti E e P; Il codone successivo è ora nel sito A; Il tRNA non carico esce dal sito E

Riconoscimento del codone -> l’anticodone di un amminoacil-tRNA in entrata si appaia con il codone complementare dell’mRNA nel sito A. l’idrolisi del GTP aumenta l’accuratezza e l’efficienza di questa tappa
Formazione del legame peptidico -> una molecola di mRNA della sub unità ribosomiale maggiore catalizza la formazione del legame peptidico fra il nuovo amminoacido del sito A e l’estremità carbossilica del polipeptide in accrescimento nel sito P. in questa tappa il polipeptide si distacca dal tRNA nel sito P si lega all’amminoacido sul tRNA nel sito A
Traslocazione -> il ribosoma induce la traslocazione del tRNA dal sito A al sito P. il tRNA scarico, localizzato nel sito P, si sposta sul sito E dove viene rilasciato. L’mRNA scorre con i tRNA legato posizionando nel sito A il codone successivo che deve essere tradotto

Terminazione

Quando un codone di stop si trova nel sito A, la traduzione termina
3 codoni di stop - UAA, UAG, UGA
Riconosciuti da fattori di rilascio

Quando un ribosoma raggiunge un codone di stop sull’mRNA, il sito A viene occupato da una proteina di forma simile al tRNA, nota coem un fattore di rilascio, al posto di un amminoacil-tRNA
Il fattore di rilascio idrolizza il legame fra tRNA sul sito P e l’ultimo amminoacido della catena polipeptidica. Il polipeptide viene così liberato dal ribosoma
Le due sub unità ribosomiali e gli altri costituenti del complesso si dissociano
Polipeptide completato attaccato al tRNA nel sito P e codone di stop nel sito A. Il fattore di rilascio si lega al codone di stop nel sito A. Il legame tra polipeptide e tRNA è idrolizzato per rilasciare il polipeptide. Le subunità ribosomali e i fattori di rilascio si dissociano.
Numerosi ribosomi possono lavorare insieme simultaneamente per la traduzione di una singola molecola di mRNA. Si forma in questo modo un polisoma o poliribosoma con conseguente aumento della velocità della sintesi proteica
La sintesi proteica inizia sempre sui ribosomi liberi presenti nel citoplasma. Quando il polipeptide è stato prodotto, l’informazione contenuta nella sequenza amminoacidica fornisce due diverse possibilità

Il polipeptide alla fine della traduzione deve essere condotto ad un organulo cellulare
Dopo la traduzione , il polipeptide deve raggiungere il reticolo endoplasmatico

Dopo essere stato prodotto un polipeptide assume una certa conformazione nello spazio determinando l’esposizione di sequenze particolari di aminoacidi che funzionano da SEQUENZE SEGNALE. Queste sequenze permettono il legame a particolari proteine recettori che si chiamano PROTEINE DI ATTRACCO (proteine canale)
Prima che la traduzione sia terminata nel citoplasma la sequenza segnale si lega ad una particella di riconoscimento del segnale formata da proteine e da RNA
Quando la particella di riconoscimento del segnale si lega alla sequenza segnale, la traduzione si blocca fino a quando il ribosoma non si lega ad una particolare proteina recettoriale su ER. La proteina recettoriale viene convertita in una canale di membrana e la sintesi proteica riprende
La particella di riconoscimento del segnale si stacca e la proteina entra nel canale. La traduzione prosegue e la proteina può andare nel lume e quando la sintesi termina tutto il complesso si disaggrega Dal lume può passare al Golgi e subire le modificazioni post-traduzionali
Modificazioni post-traduzionali

Proteolisi: il taglio del polipeptide permette ai frammenti di ripiegarsi, assumendo forme differenti
Glicosilazione: l’aggiunta di zuccheri è importante per indirizzare e riconoscere le proteine
Fosforilazione: l’aggiunta di gruppi fosfato altera la forma della proteina

LE MUTAZIONI
L’informazione contenuta nel DNA deve essere mantenuta integra in modo da trasmetterla alla prole.
Abbiamo già visto che durante la duplicazione del DNA, nonostante i numerosi controlli, si verificano in modo casuale e improvviso delle variazioni, modificazioni del materiale genetico che sono definite MUTAZIONI . Ogni tipo di variazione costituisce una “novità” contribuendo alla realizzazione dell’evoluzione biologica. Le novità infatti possono essere fonti di nuove potenzialità di adattamento alla specie, capacità riproduttive più idonee, migliore resistenza alla pressione selettiva dell’ambiente e quindi di modificare e migliorare le possibilità di sopravvivenza e la diffusione di una specie. Tutto definisce la VARIABILITA’
MUTAZIONE: evento casuale e stabile che produce un cambiamento del patrimonio genetico ed è quindi ereditabile.
Tale variazione nella maggior parte dei casi riguarda modificazioni a livello NUCLEOTIDICO, modificando il significato dell’informazione, oppure si può verificare a livello CROMOSOMICO, alterando la struttura dei cromosomi. Le variazioni possono anche essere a livello GENOMICO comportando un’alterazione del numero di cromosomi.
Le mutazioni possono insorgere nelle cellule somatiche oppure nelle cellule germinali
Una MUTAZIONE SOMATICA interessa una cellula somatica e quindi saranno mutate solo le cellule che derivano da questa cellula, la mutazione sarà ristretta all’individuo in cui è insorta e non verrà trasmessa alla progenie
Una MUTAZIONE GERMINALE interessa una cellula germinale, potrà essere trasmessa alla generazione successiva con la conseguenza evidente che tutte le cellule del nuovo organismo presenteranno tale mutazione e questa verrà comunque trasmessa a tutte le ulteriori generazioni successive
MUTAZIONI PUNTIFORMI
L’alterazione della sequenza nucleotidica di un gene viene definita mutazione genica, ma poiché può interessare anche porzioni introniche, la definizione corretta è mutazione puntiforme. Questo termine comprende la variazione in un punto (singolo nucleotide) sia nella porzione codificante che non codificante.
Tipi di mutazione puntiforme:

Sostituzione di nucleotide
Inserzione di nucleotide
Delezione di nucleotide

L’effetto prodotto sarà variabile sia per entità e rilievo
Mutazioni puntiformi per sostituzione di base (nucleotide): 2 tipi: transizione o trasversione

TRANSIZIONE: sostituzione di una purina con un’altra purina (A-G) o di una pririmidina con un’altra pirimidina (C-T)
TRASVERSIONE: sostituzione di una purina con una pirimidina e viceversa

Le mutazioni per sostituzione possono anche essere classificate in base all’effetto fenotipico che producono.
MUTAZIONE DI SENSO quando la sostituzione ha come conseguenza il cambiamento di un codone sul messaggero e quindi l’inserimento di un aminoacido nella catena polipeptidica che non era presente prima della mutazione. L’effetto sulla proteina dipenderà dal tipo dell’aminoacido introdotto e dalla posizione nella catena in cui è avvenuta la sostituzione
Esempio: mutazione per sostituzione a livello del gene dell’emoglobina normale (HbA) che produce una variante detta HbS. Questa mutazione per sostituzione è responsabile dell’anemia falciforme.
La mutazione comporta la presenza di valina al posto di acido glutammico, perché in seguito alla sostituzione cambia il codone sul messaggero
In altri casi la mutazione è definita NON SENSO (nonsense) quando la sostituzione determina la formazione sul messaggero di un codone di STOP al posto di una tripletta codificante.
Terminazione prematura della catena polipeptidica. Le conseguenze di una mutazione NON SENSO sono spesso gravi, e la gravità è tanto maggiore quanto più è corto il polipeptide tradotto.
Mutazione NEUTRA: la sostituzione di una tripletta con un’altra che codifica per un aminoacido con le stesse caratteristiche chimico-fisiche di quello nativo per cui non viene alterata la struttura della proteina che mantiene il corretto funzionamento.
In alcuni casi, la sostituzione determina per la degenerazione del codice genetico la generazione di un codone che codifica per lo stesso aminoacido: MUTAZIONE SILENTE.
Le mutazioni per inserzione o per delezione causano le mutazioni FRAMESHIFT o di scivolamento della cornice di lettura. Queste mutazioni sono chiamate in questo modo perché in seguito al semplice inserimento o eliminazione di un nucleotide, comporta una sfasatura della lettura del messaggero nel ribosoma, a partire dalla mutazione in poi.
Sintesi di una catena polipeptidica non del tutto funzionale o produzione di un frammento polipeptidico tronco se si forma un codone di STOP prematuro.
Le mutazioni possono essere SPONTANEE o INDOTTE. Gli agenti responsabili di mutazioni sono detti MUTAGENI
Oggi siamo in grado di interpretare come insorgono molte mutazioni spontanee: molte volte derivano da errori durante la replicazione del DNA che sfuggono ai meccanismi cellulari di riparazione (es. meccanismo di correzione delle bozze) -. Errori quindi casuali.
La frequenza di mutazione spontanea è dipendente dalla costituzione genica di ogni individuo. Bisogna considerare che alcune parti del genoma sono più “mobili” e quindi più soggette a mutazione.
Frequenza di mutazione: numero di volte in cui una detta mutazione si verifica in una data popolazione di cellule o di individui.
Tasso di mutazione è invece la probabilità che una particolare mutazione si verifichi nel tempo. Nell’uomo il tasso di mutazione spontanea per geni singoli è compreso in un range che va da 10-4 a 10-6 per gene per generazione.
Errori durante la replicazione del DNA. L’apparato replicativo non è solo impegnato nella polimerizzazione di nucleotidi ma anche nel controllo qualitativo dell’intero processo.
Le basi possono esistere in due forme: una normale che si appaia alla sua complementare mediante ponti ad idrogeno, l’altra, TAUTOMERICA, che è rara e soprattutto transitoria che si appaia in modo non canonico. Per esempio l’adenina in forma tautomerica si appaia alla citosina invece che alla timina. Ne consegue che a causa di inserzioni di basi tautomeriche non è possibile rilevare l’errore, quindi si verifica una mutazione.
Meccanismi addizionali di insorgenza di mutazioni spontanee sono la conseguenza di danni del DNA quali la DEPURINAZIONE e la DEAMINAZIONE di alcune basi. Questo danneggiamento se non viene riparato è fonte di mutazione perché mancando una base azotata, nella replicazione successiva in quella posizione può essere inserito un nucleotide qualsiasi.
Deaminazione delle basi può avere conseguenze gravi, talvolta irreparabili per l’organismo. Deaminazione di C produce U. L’Uracile è visto come estraneo al DNA e il danno viene riparato.
Se viene deaminata una metilcitosina si produce Timina. Il cambiamento non viene riconosciuto e quindi non riparato. Nei punti in cui esiste 5-metilcitrosina: elevato tasso di mutazione. Punti caldi del genoma.
MUTAZIONI INDOTTE.
L’insorgere di mutazioni, la nascita di un equilibrio tra il nuovo fenotipo e l’ambiente, la frequenza di variazione rappresentano un compromesso tra evoluzione biologica e novità generate da mutazioni.
Questo compromesso è costantemente sottoposto a “verifica” e sottoposto nel tempo a forze selezionatrici. Solo dopo a questo controllo costante le “novità” vengono stabilizzate. Il tasso di mutazione viene incrementato decisamente se l’organismo è sottoposto ad agenti mutageni. I mutageni possono essere chimici o fisici. Qualsiasi agente in grado di aumentare il tasso di mutazione spontanea è definito MUTAGENO.
Mutageni chimici
Discreto grado di specificità, anche se alcuni mostrano un’elevata capacità di selezione del bersaglio e di modificarlo. Agiscono con meccanismi molteplici, generalmente interagendo direttamente con le molecole di DNA e che favoriscono l’insorgenza di errori durante la replicazione, e/o danneggiando la catena stampo.
Agenti alchilanti:inducono mutazioni in seguito a metilazione. Modificando le basi presenti sul DNA, questi agenti fanno in modo che queste basi si comportino in modo diverso, favorendo la formazione di coppie di basi non canoniche
Agenti intercalanti: si inseriscono nella sequenza nucleotidica del DNA, perché sono molecole a tre anelli molto simili nella struttura e dimensione ad una coppia di basi purina-pirimidina.
Effetto dell’agente intercalante: Inserzione o Delezione di base.
AGENTI MUTAGENI FISICI
Hanno sempre un ampio spettro d’azione potendo agire direttamente o indirettamente sulla molecola di DNA e in particolare sulle basi azotate. Riescono anche a modificare la struttura dei cromosomi e dell’apparato di divisione cellulare. Azione più nascosta rispetto ai mutageni chimici, è più difficile identificare la fonte mutagena e la conseguente mutazione
Esempio: LUCE ULTRAVIOLETTA. Le radiazioni UV con l 260 nm, vengono assorbite principalmente dalle basi azotate che vengono modificate producendo dimeri tra anelli pirimidinici adiacenti: DIMERI DI TIMINA . Se riparati, nessun danno. Se non riparati si blocca la replicazione. La capacità di riparazione dipende dalla dose che induce il danno.
Sistemi di riparazione del DNA: sistemi che i sistemi hanno evoluto per evitare i danni causati da mutazioni Identificano e correggono queste mutazioni Alcuni funzionano durante la replicazione del DNA, altri agiscono dopo Quando la cellula invecchia questi sistemi di riparazione funzionano molto più lentamente, non tiene il passo all’insorgenza di mutazioni La cellula ha tre possibilità

Stato di quiescenza irreversibile (SENESCENZA)
APOPTOSI (morte cellulare)
CARCINOGENESI

Sistemi di riparazione dei dimeri di timina: FOTOLIASI che rompe il dimero formatosi in seguito a radiazione UV.
Danno e riparo di un singolo filamento -> Solo uno dei due filamenti di DNA ha subito un danno
Meccanismo di riparo è definito: Meccanismo di riparo per escissione di base che si attua in tre fasi diverse.

Rimozione della base azotata danneggiata
Riempimento dell’interruzione con il nucleotide corretto
Formazione di un nuovo legame fosfodiestere mediante una DNA ligasi

Riparo per escissione di nucleotidi o NER: risolve un danno che coinvolge 2-30 nucleotidi, danni che solitamente comportano una distorsione voluminosa dell’elica (come ad esempio nel caso della formazione dei dimeri di Timina)

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