Basi di Biologia (Membrana Plasmatica, ciclo cellulare, nucleo e DNA), Appunti di Biologia

Scarica Basi di Biologia (Membrana Plasmatica, ciclo cellulare, nucleo e DNA) e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! La Membrana plasmatica La membrana plasmatica si trova in tutte le cellule, rappresenta uno strato esterno che aiuta a mettere in comunicazione le cellule adiacenti ed aiuta l’ingresso e l’uscita di entità distinte. È costituita da un doppio strato di fosfolipidi, i fosfolipidi sono costituiti da una testa polare (idrofila) e due code apolari (idrofobe), e per questo sono dette molecole anfipatiche. A causa di questa caratteristica tendono spontaneamente a disporsi in un doppio strato quando sono in ambiente acquoso. Le teste polari si rivolgono all'esterno a contatto con l'acqua ai due lati opposti della membrana, mentre le code apolari sono risolte verso l'interno del doppio strato, dove l'acqua non è presente. Oltre ai fosfolipidi, un altro componente strutturale del doppio strato è il colesterolo (o altri steroli). Le molecole di colesterolo si insinuano tra le molecole di fosfolipidi, partecipando alla plasticità del doppio strato. La membrana cellulare infatti non è da intendersi come un elemento rigido e stabile, ma si comporta invece come un mosaico fluido, infatti nel 1972 fu instituito questo modello da Singer e Nicolson chiamato “modello a mosaico fluido” dove la membrana plasmatica è composta da un doppio strato di fosfolipidi e delle proteine che si immergono all’interno, penetrando. I componenti hanno una certa libertà di movimento, soprattutto di scorrimento laterale e rotazione. Le proteine di membrana si possono differenziare in integrali e periferiche. Le proteine integrali o transmembrana si inseriscono in profondità nella membrana e vengono mantenute nella loro sede grazie a porzioni idrofobiche in sospensione nel doppio strato e porzioni idrofile che sporgono ai due lati opposti della membrana. Le proteine periferiche, invece, si trovano su un solo lato della membrana e possono ancorarsi saldamente ai fosfolipidi tramite legami covalenti, oppure formare interazioni elettrostatiche più deboli con le teste polari presenti nella membrana. Le proteine possono essere a Single-pass: entrano nella cellula una sola volta, o a Multi-pass, entrano ed escono dalla cellula più volte. Funzioni della M.P. -Funzione Protettiva -da la forma alla cellula -permette lo scambio di sostanze nutritive -permette il trasporto che sia attivo o passivo a seconda che ci sia o meno l’utilizzo di ATP -è reattiva agli stimoli esterni, in base allo stimolo si ha una risposta intracellulare -si ha una risposta agli ormoni, il legame dei recettori degli ormoni con le cellule bersaglio, scatena un risposta intracellulare -permette l’interazione e comunicazione con le altre cellule -proprietà antigieniche e immunitarie Le specializzazioni della membrana plasmatica in una cellula La membrana può avere verso la parte apicale, verso il lume intestinale dove si assorbono i nutrienti, ci sono delle estroflessioni che formano i microvilli e quindi l’orletto a spazzola, per aumentare l’assorbimento. Nella membrana laterale, adiacente ad altre cellule, abbiamo delle giunzioni cellulari che permettono il passaggio di materiale da una cellula all’altra. Le giunzioni strette invece impediscono l’ingresso. Le proteine presenti sulla membrana plasmatica svolgono diverse funzioni. Le proteine di ancoraggio: connettono la cellula con le fibre del tessuto sottostante. Proteine che permettono il trasporto passivo: formano dei canali permettendo il passaggio di molecole e ioni secondo gradiente di concentrazione, quindi si sposteranno da una zona più concentrata ad una meno concentrata. Proteine con trasporto attivo: trasportano ioni o altre molecole contro gradiente di concentrazione (esempio pompa sodio potassio, porta dentro il sodio e fuori il potassio, questo è contro gradiente di concentrazione in quanto può essere fatto solo con l’energia data dell’idrolisi dall’ATP) Proteine con attività enzimatica: enzimi associati alla membrana che catalizzano delle reazioni che possono avvenire all’interno o sulla superficie della membrana stessa. Proteine che permettono la trasduzione del segnale: proteine che ricevono dall’esterno della cellula un segnale e lo trasmettono all’interno della cellula facendo avvenire una reazione in risposta alla molecola con la quale si sono legate. Proteine che funzionano come riconoscimento cellulare: antigeni di membrana che verrano riconosciute da degli anticorpi specifici. Proteine di giunzione cellulare: le cellule comunicano tra di loro, grazie a queste proteine. Per vedere i tipi di trasporto è importante sapere cos’è la DIFFUSIONE. Se noi vediamo un Becker con acqua distillata in cui vi è una zolletta di zucchero, questa si scioglierà e man mano dalla zona più concentrata della zolletta diffonderà verso tutta la soluzione presente nel Becker fino ad essere uniformemente diffuso. L’OSMOSI: la membrana plasmatica è semi permeabile e possiamo mimare questa membrana utilizzando una membrana di cellofan che permette il passaggio di acqua ma non di soluti più grossi, quindi se mettiamo in un tubo a U da una parte una soluzione di acqua pura e dall’altra una soluzione contenente zucchero, questa soluzione essendo più concentrata non potrà passare e quindi richiamerà acqua dall’altra soluzione che invece potrà passare. Dalla soluzione acquosa avremo un netto passaggio verso la soluzione con il soluto, questo fare aumentare il livello della soluzione da un lato della U, ma se applico con il pistone una forza, la pressione che viene applicata è la pressione osmotica della soluzione. Se io prendo tre Becker e dentro metto una soluzione di saccarosio due molare, in un caso ho una soluzione di acqua distillata, nel secondo sarà una soluzione più concentrata quindi dieci molare, e nel terzo una soluzione uguale quindi due molare. Si parla di: Soluzione ipotonica: quando la soluzione in cui ho inserito il mio sacchetto ha una concentrazione più bassa di saccarosio, in questo caso è acqua distillata e quindi il saccarosio presente nel sacchetto richiamerà acqua dalla soluzione esterna e quindi si gonfierà, questo avviene se prendo delle cellule e le metto in una soluzione ipotonica, si gonfieranno. Soluzione ipertonica: più concentrata, l’acqua nel sacchetto verrà richiamata verso l’esterno e quindi il sacchetto si schiaccerà. Stessa cosa succede se metto delle cellule in una soluzione ipertonica. Soluzione Isotonica: se le soluzioni sono uguale, l’acqua si muoverà in modo equo e quindi anche la cellula rimarrà nella sua forma. Centrioli Sono le strutture da cui si formano i microtubuli, sono costituiti da microtubuli associati tra loro in modo regolare, sono nove fibrille con ciascuna tre microtubuli. I centrioli, sono organelli presenti nella cellula in coppia, disposti uno perpendicolare rispetto all’altro. Durante la divisione cellulare quando devono formare le fibre del fuso, si duplicano dando origine a due coppie di centrioli che si spostano ai poli opposti della cellula dove funzionano come centri per l’organizzazione dei microtubuli che formano il fuso mitotico. Il centriolo ha una struttura cilindrica e viene spesso localizzato vicino al nucleo della cellula. Centrosoma Ha una struttura complessa che contiene i due centrioli circondati da un materiale amorfo pericentriolare, questo è opaco agli elettroni. Duplicazione del centrosoma: da ogni centriolo (legati insieme da delle proteine di connessione) se ne forma un altro perpendicolare a quello da cui si forma, la coppia poi si separa ed ognuno va nella cellula figlia. Ciglia e Flagelli Sono altre strutture del citoscheletro che hanno la funzione di movimento della cellula o di materiale vicino alla cellula. Sono organelli motori simili a peli e si proiettano sulla superficie di vari tipi di cellule. Sono molto sottili e avvolti dalla membrana plasmatica, sono ancorati alla cellula mediante un centriolo basale da cui si irradia in profondità quella che è la radice del ciglio. La struttura interna del ciglio e flagelli è uguale ma: le ciglia sono più corte e numerose rispetto ai flagelli. Internamenti sono formati da microtubuli raggruppati in modo da formare nove coppie, disposte alla periferia e al centro ci sono altri due microtubuli centrali, questo è quello che si chiama assonema, cioè il complesso nove più due. Il movimento del ciglio va verso l’alto in una direzione e verso il basso torna indietro, si movono sempre in modo sincrono. I flagelli sono meno numerosi e più lunghi li troviamo in organismo pluricellulari come i proteste li troviamo anche nei gameti maschili (spermatozoi) dove i è un flagello che ne permette il movimento. L’assonema È una struttura che si trova in ciglia e flagelli. Vediamo come le nove coppie di microtubuli sono strettamente associate tra loro e tenute insieme da proteine di connessione sia tra di loro che verso il centro, dove troviamo i due microtubuli centrali. Giunzioni Cellulari La matrice extracellulare è una rete organizzata di materiale presente tra le cellule, si trova subito al di fuori della Membrana Plasmatica, è costituita da diverse strutture e da diverse proteine. Abbiamo il collagene, la fibromectina, i protoglicani (grosse molecole costituite da una parte proteica ed una polisaccaridica). Tutte queste strutture sono legate esternamente alla Membrana Plasmatica mediante delle proteine di membrana. Ha la funzione di impalcatura tra le cellule. Può assumere forme diverse a seconda del tessuto in cui ci troviamo e le proteine presenti in questa matrice sono di tipo fibroso. Può avere un ruolo di regolazione per determinare forma e attività di una cellula. La lamina basale, è una parte di matrice extracellulare che si trova alla base del tessuto epiteliale, genera dei segnali per la sopravvivenza cellulare, serve da substrato per la migrazione cellulare. Delle cellule dell’epitelio, infatti, si duplicano solo quelle presenti nella lamina basale, separa i tessuti che si trovano vicini all’interno di un organo. Le giunzioni cellulari permettono l’unione di cellule vicine, a seconda del tipo di tessuto e di funzione avremo diversi tipi di giunzioni cellulari, avremmo quelli che permetteranno il passaggio tra una cellula e l’altra e quelle che invece lo impediranno. Le giunzioni possono essere: Giunzioni strette: portano le due membrane cellulari delle cellule in contatto tra loro fondendosi quasi. Impediscono il passaggio di sostanze nella matrice extracellulare, le membrane plasmatiche adiacenti giungono in intimo contatto tra di loro annullando lo spazio e le due membrane quasi si fondono. Desmosomi: tengono unite le cellule senza passaggio di sostanze. Presenti nel tessuto epiteliale, ciascuna delle cellule partecipa alla giunzione del desmosoma, costituiti da proteine tra le due membrane e all’interno di ogni cellula sono presenti i filamenti intermedi del citoscheletro. Emidesmosomi: sono come metà desmosoma, si trovano ad esempio sulla membrana basale di una cellula epiteliale che si trova poggiata sulla lamina basale. Quindi, dal lato della cellula avremo la struttura del desmosoma con i filamenti intermedi ancorati alla placca che è ancorata alla membrana plasmatica, mentre al di là non essendoci un’altra cellula ma essendo presente matrice extracellulare, avremo l’ancoraggio delle proteine di membrana ai filamenti della matrice extracellulare. GAP: permettono il passaggio da una cellula e l’altra, sono dei veri e propri canali idrofili, costituiti da proteine di membrana presenti su entrambe le membrane delle cellule, possono essere attraversate da varie sostanze. Si possono trovare allo stato chiuso o aperto in base alle funzioni che la cellula deve svolgere. Giunzioni aderenti: Le membrane sono unite da proteine di adesione, all’interno della cellula troviamo le proteine del citoscheletro legate mediante altre proteine di adesione. uniscono le due cellule ma non sono presenti canali. Plasmodesmi: mettono in comunicazione il citoplasma delle due cellule adiacenti permettendo il passaggio di piccole molecole, a differenza delle GAP, i canali, sono rivestiti dalla membrana plasmatica stessa. Le Endomembrane Sono tutti gli organelli delimitati da membrane che si trovano all’interno della cellula eucariote. Il reticolo endoplasmatico è presente in due tipi di reticolo: quello liscio costituito da membrane tubolari interconnesse tra loro, ed il reticolo rugoso, costituito da sacche appiattite, si chiama rugoso per via dei ribosomi presenti sulla superficie. Questo reticolo è continuo con la membrana esterna dell’involucro nucleare. Reticolo Liscio: ha membrane tubulari, non presenta ribosomi sulla superficie. È la sede della biogenesi di membrana, della sintesi del colesterolo e degli ormoni esteroidei. Nelle cellule epatiche ha la funzione di detossificazione dei composti organici e ha la funzione di sequestrare gli ioni calcio, importanti nella contrazione muscolare. ReticoloRugoso: è sede della sintesi di proteine che hanno una collocazione o esterna alla cellula, o proteine integrali di membrana, o proteine che devono andare all’interno di organelli presenti nella cellula. È sede della sintesi di carboidrati e fosfolipidi. Sintesi di una proteina di secrezione Quando inizia la sintesi proteica, la prima parte del polipeptide della proteina nascente, contiene un segnale che viene riconosciuto da una particolare particella che si associa al ribosoma, in questo momento la sintesi proteica si blocca per far si che il ribosoma si associ al reticolo, dopodiché questo si posiziona su una struttura presente sulla membrana del reticolo endoplasmatico che si chiama Traslocone, qui è presente un recettore per cui il ribosoma si può associare al reticolo e la proteina nascente può entrare all’interno del reticolo attraverso il traslocone spostando il tappo del canale presente nel traslocone. Una volta che tutto questo è avvenuto, la sintesi proteica va avanti e la proteina nascente continua la sua sintesi all’interno del lume del reticolo endoplasmatico rugoso, man mano che viene sintetizzata assume la sua forma tridimensionale grazie a proteine specifiche. Sintesi di una proteina integrale di membrana È uguale al precedente ma in questo caso il traslocone si apre e la parte della proteina, dove si trovano gli amminoacidi idrofobi, restano all’interno della membrana del reticolo e la parte Cterminale o Nterminale che dovrà andare sulla parte esterna alla cellula si troverà all’interno del reticolo plasmatico. Il complesso di Golgi è localizzato tra il reticolo endoplasmatico e la membrana plasmatica, è costituito da cisterne appiattite discoidali, disposti in pili ordinati, sono interconnesse tramite i tubuli membranosi. I bordi sono dilatati e da qui gemmano delle vescicole che trasportano le proteine o le sostanze che devono essere trasportate. È costituito da una serie di cisterne discoidali che prendono il nome di cisterne: CIS: che sono quelle verso il reticolo endoplasmatico MEDIALI: che sono quelle verso il centro, il mediano TRANS: che sono quelle verso la membrana. Questa serie di cisterne con forma discoidale è il luogo dove avvengono modificazioni post trasduzionali delle proteine, man mano che la proteina passa dalla parte CIS alla parte TRANS. Le funzioni del complesso di golgi: .Trasporto di proteine .Modifica in modo chimico delle proteine (rimozione di porzioni di sequenza aminoacidica, aggiunta di gruppi funzionali, di unità lipidiche o glucidiche) .Regola il movimento delle proteine .Trasporta delle vescicole nella cellula Nel reticolo endoplasmatico rugoso una proteina neo sintetizzata, gemma dal reticolo e va verso le cisterne CIS dell’apparato del golgi, qui subisce altre modificazioni man mano che passa dalle cisterne CIS alle TRANS, dopodiché gemmano ancora vescicole che si muovono verso la membrana plasmatica, se la proteina deve essere secreta. Questi spostamenti di vescicole sono dovuti alla presenza dei microtubuli grazie alle proteine che permettono il movimento delle vescicole. Lisosomi Organelli presenti nella cellula delimitati da membrana, sono digestivi. All’interno sono presenti circa 50 enzimi di tipo idrolitico ed hanno un attività ottimale a PH acido. Hanno la funzione di degradare le sostanze che arrivano da fuori o che devono essere eliminate. l’organello che deve essere degradato viene circondato da una membrana che deriva dal reticolo endoplasmatico, avvolge l’organello e si fonde con un lisosoma, le proteine lisosomali arrivano dall’apparato del golgi. Si forma un auto Fago lisosoma. Le sostanze vengono degradate e quello che succede a questo Fago è la formazione di un corpo residuo quindi, resta all’interno solo il materiale non più utile alla cellula. Si divide in due fasi: Fase luminosa: viene assorbita l’energia luminosa conservata sotto forma di ATP e NADPH con sviluppo di ossigeno. Fase oscura: si utilizzano ADP e NADPH per ridurre l’ossigeno a formare glucosio e altri prodotti organici. I centri deputati alla fotosintesi sono: Foto sistema 1: dove un complesso P700 viene eccitato dalla luce ed una sequenza di elettroni, che vanno ad eccitare altre molecole, portano alla sintesi di NADPH a partire da NAD+ e Protoni. Fotosistema 2: è un sistema simile che viene eccitato a P680. Questi due complessi sintetizzano NADPH necessario per la sintesi del glucosio. I due fotosistemi sono collegati da altri enzimi situati sulle membrane dei tilacoidi che trasportano gli elettroni dal Fotosistema 2 al Fotosistema 1. I mitocondri e cloroplasti hanno un origine comune. Si pensa che da una cellula ancestrale priva di mitocondri e cloroplasti, siano in qualche modo entrati dei batteri aerobi in grado di sintetizzare ATP e che siano poi rimasti all’interno della nuova cellula formando i mitocondri per quanto riguarda i batteri aerobi, e che si siano sviluppati in cellule eucariote animale (non in grado di fare fotosintesi. analogamente, altri batteri fotosintetici possono essere entrati nella cellula a formare i cloroplasti. Quindi un origine comune di endosimbiosi di una cellula con Batteri di diverso tipo portando quindi alle cellule vegetali piuttosto che alle cellule animali.
 Terzo capitolo Nucleo e DNA Nucleo È delimitato da una doppia membrana detto involucro nucleare, il nucleo, contiene la cromatina: fibre di DNA associate a proteine. Sono presenti 1 o più nucleoli che sono delle strutture dense agli elettroni di forma irregolare dove avviene la sintesi dell’RNA ribosomale e l’assemblaggio dei ribosomi. La parte all’interno del nucleo prende il nome di nucleoplasma, è la sostanza fluida in cui sono presenti i soluti del nucleo e abbiamo una matrice nucleare che è una rete fibrillare che contiene proteine. È delimitato da una doppia membrana che prende il nome di involucro nucleare, su questa membrana sono presenti dei pori nucleari che permettono il passaggio di materiale dall’interno all’esterno e viceversa. L’involucro nucleare è costituito da due membrane cellulari disposte parallelamente. È una barriera che impedisce il passaggio di ioni e soluti tra nucleo e citoplasma che può avvenire solo attraverso i pori costituiti da proteine. La membrana interna è legata ad una sottile rete fibrillare presente nel Nucleo a cui si lega attraverso proteine integrali di membrana. La membrana esterna, invece è in continuità con quella del reticolo endoplasmatico rugoso. Lo spazio intermembrana è lo spazio tra le membrane. I pori nucleari sono strutture molto complesse, viene chiamato complesso del poro nucleare, permettono il passaggio di RNA e proteine in entrambe le direzione (nucleo - citoplasma e viceversa). Ha una simmetria ottagonale dovuta alla ripetizione per otto volte di trenta diversi tipi di proteine. Abbiamo proteine a livello della membrana, proteine all’interno verso il nucleoplasma e dei filamenti citoplasmatici verso il citoplasma, la struttura regola anche gli scambi con l’esterno. Una proteina presente nel citoplasma può entrare nel nucleo, grazie alla presenza di un segnale di localizzazione nucleare presente sulle proteine, questo segnale fa si che un’altra proteina: l’importina alfa beta, che è un recettore eterodimerico, conosca questa sequenza segnale e si lega alla proteina da portare nel nucleo, formando un complesso proteico. Questo complesso si può legare ai filamenti citoplasmatici del poro che in seguito al legame permettono l’ingresso di questa struttura all’interno del nucleoplasma. Nel nucleoplasma è presente un’altra proteina che si chiama: RAN GTP con cui interagisce. La proteina RAN GTP si lega alla proteina Importina alfa beta che a sua volta è legata alla proteina che deve entrare nel nucleo. Questo legame fa si che sia l’eterodimero dell’importina alfa beta che la proteina si dissocino, quindi la proteina entra nel nucleo e la proteina RAN GTP legata alla subunità beta dell’importina rientra nel citoplasma dove RAN GTP viene idrolizzato a RAN GTP e fosfato e questa idrolisi permette la dissociazione con la subunità beta dell’importina. A questo punto RAN GTP viene riportato nel nucleo mentre l’importina Alfa viene riportata nel citoplasma da un’esportina dove poi si possono nuovamente legare per portare un’altra proteina nel nucleo. Nel nucleo vi è la Cromatina, è DNA associato a proteine, queste proteine prendono il nome di istoni. Nelle cellule non in divisione la cromatina si presenta sottoforma di granuli dispersi. Si può presentare anche in forma condensata oppure in forma dispersa. Quando la cellula entra in divisione la cromatina si condensa sempre più fino a formare i cromosomi visibili nella metafase della divisione mitotica. Sono capaci di autoreplicazione e di mantenere le proprie caratteristiche. I cromosomi: a partire dal DNA, carico negativamente (per la presenza di gruppi fosfato), gli istoni, invece, sono carichi positivamente e quindi riescono ad associarsi al DNA formando il nucleosoma, esso è costituito da 8 istoni presenti in coppia sulla quale si avvolgono 146 paia di basi di DNA, (La lunghezza del DNA che si avvolge al complesso degli otto istoni è lungo 146 coppie di basi) e questo è il primo livello di struttura dei cromosomi. Tra un nucleosoma e l’altro è presente un altro istone che si associa al DNA chiamato DNA di Giunzione in questo modo i nucleosomi adiacenti possono condensarsi sempre più a formare una struttura più spiralizzata, ulteriori superavvolgimenti portano alla formazione di nucleosomi visibili nella metafase. I cromosomi visibili durante la divisione mitotica, hanno una struttura complessa. Ogni cromosoma contiene una molecola di DNA a doppio filamento che è singola e continua, all’estremità del cromosoma prendono il nome di Telomeri, sono delle strutture che formano una specie di cappuccio, sono sequenza ripetute associate a proteine specializzate. Le due unità parallele ed identiche prendono il nome di cromatidi ed in posizione centrale abbiamo una costrizione del cromosoma che prende il nome di centromero, ed è la costrizione primaria, associata al centromero sono presenti delle proteine che permettono l’attacco del cromosoma ai microtubuli che compongono il fuso mitotico. Classificazione dei cromosomi in base al punto in cui viene posizionato il centromero: Centromero a metà: metacentrico Centromero spostano da una parte: submetacentrico Centromero quasi ad una delle due estremità: acrocentrico Centromero con soli due bracci (quindi completamente all’estremità): telocentrico DNA struttura Doppia elica formata da nucleotidi ognuno dei quali costituito da desossiribosio come zucchero, un gruppo fosfato ed una base azotata, abbiamo quattro diverse basi azotate in diverse sequenze. È una struttura regolare che permette i vari superavvolgimenti. Duplicazione DNA Vedi foto Ciclo Cellulare Consiste in diverse fasi: abbiamo un interfase che si suddivide in una fase G1, una fase S, una fase G2 ed una fase M in cui avviene la vera e propria mitosi della cellula e la citocinesi, la divisione in due cellule figlie nella cellula madre. Nella fase G1 abbiamo l’accrescimento della cellula, gli organelli si duplicano e la cellula svolge la sua normale vita. Abbiamo la fase S (sintesi) fase in cui si replica il DNA e si duplicano i cromosomi, quando la cellula entra in fase S andrà poi incontro alla mitosi, quindi prima alla fase G2 dell’interfase, in cui dopo aver duplicato il DNA la cellula cresce e si prepara per la mitosi. Poi abbiamo la Mitosi, è il periodo più breve, abbiamo diverse fasi e si ha la separazione dei cromosomi precedentemente duplicati, equamente alle due cellule figlie, identiche alla cellula madre. Interfase Fase G1: sintesi delle proteine e altre molecole. Fase S (sintesi): sintesi del DNA e delle proteine cromosomiche. Fase G2: lamcellula cresce e si prepara alla mitosi. caso però da un ogono si formerà solo una cellula uovo perchè le altre tre sono corpi polari che andranno a degradarsi. Differenze Mitosi Divisione delle cellule somatiche, tutte le cellule che vanno incontro a divisione che daranno origine a due cellule identiche alla cellula madre. Meiosi Due divisioni successive con una solo duplicazione del DNA all’inizio dell’interfase e la formazione di quattro cellule aploidi che sono i gameti e serviranno, nel momento in cui Sintesi Proteica I protagonisti della sintesi proteica sono l'RNA definito messaggero (mRNA), poiché porta l'informazione dal nucleo al citosol, e i ribosomi. Questi ultimi sono corpuscoli costituiti da proteine e molecole particolari di RNA dette ribosomiali (piccoli RNA trascritti nel nucleolo nucleare da geni specifici, indicati con rRNA). Ogni ribosoma è costituito da due subunità: la maggiore identificata dal suo coefficiente di sedimentazione (S) come 60S e la minore di 40S. Il ribosoma completo risulta di 80S. La subunità grande è costituita da circa 49 proteine e dagli rRNA: 5S, 28S e 5,8S. La subunità piccola è formata invece da circa 33 proteine e dall'rRNA 18S. Nei procarioti i ribosomi sono più piccoli (il ribosoma completo ha coefficiente 70S): la subunità grande 50S è costituita da 34 proteine e da 2 rRNA: 5S e 23S. La subunità piccola procariote è composta da 21 proteine e dall'rRNA 16S. Le due subunità si associano tra di loro a costituire il ribosoma completo solo al momento della sintesi proteica quando riconoscono e legano l'mRNA tra di loro. La sintesi proteica è quel processo le cui fasi analizzeremo di seguito, nel quale il messaggio dell'mRNA viene "tradotto" in linguaggio proteico per la produzione di una specifica proteina costituita da una ben definita sequenza di amminoacidi. La sequenza di amminoacidi corretta è assicurata dai nucleotidi del messaggero che letti di 3 in 3 (codoni) definiscono quali amminoacidi devono essere legati tra loro. Gli amminoacidi sono portati al ribosoma che sta scorrendo sull'mRNA da speciali molecole di RNA, dette transfer e indicate con la sigla tRNA. Le fasi della sintesi proteica La prima fase è quella definita "inizio della traduzione" nella quale viene identificato il primo codone del messaggero che è sempre AUG ed identifica la metionina. Oltre a questo segnale ne occorrono altri sul messaggero a monte del primo codone che servono per allinearlo nella corretta fase (frame) di lettura per ottenere il corretto polipeptide, si parla di sito di attacco del ribosoma a cui si lega la subunità minore grazie all'intervento anche di speciali proteine definite fattori di inizio. Successivamente si lega la subunità maggiore che presenta al suo interno tre siti: P (polipeptide), A (amminoacido) ed il sito per l'uscita del polipeptide ultimato (E). Comincia quindi la "fase di allungamento" della catena polipetidica (ovvero la proteina di nuova sintesi) che è costituita da tre passaggi distinti: • legame del tRNA (caricato del proprio amminoacido) al ribosoma; • formazione del legame peptidico ad opera di un enzima specifico detto peptidil transferasi; • movimento del ribosoma sull'mRNA in direzione 5'à3' di un codone (3 nucleotidi) per volta. Schema della fase di allungamento della catena polipeptidica della sintesi proteica. Il primo codone AUG si trova davanti al sito P del ribosoma ed un secondo tRNA portante il secondo amminoacido della proteina viene a posizionarsi nel sito A, si forma il legame peptidico tra l'amminoacido 1, la metionina ed il secondo amminoacido, il ribosoma scorre lungo il messaggero, il primo tRNA ormai vuoto esce dal ribosoma ed ora il secondo tRNA si trova nel sito P con agganciati i 2 amminoacidi. Questa sequenza di eventi si ripete per tutta la fase di allungamento della catena di amminoacidi, un codone per volta il messaggero è letto e il suo messaggio tradotto in una sequenza di amminoacidi legati tra loro da legami peptidici. Quando il ribosoma incontra uno dei 3 codoni di stop (UAG, UAA oppure UGA) si ha la "fase di terminazione". I codoni di stop non codificano per nessun amminoacido dunque non esistono per essi nella cellula tRNA con i relativi anticodoni dunque il sito A del ribosoma resta vuoto, questo è il segnale perché si leghino ad esso speciali proteine definite fattori di terminazione o di rilascio che danno il via ad una serie di eventi specifici per la fine della sintesi proteica. Tali eventi sono in ordine: - il rilascio del polipeptide dal tRNA e dunque la sua fuoriuscita dal ribosoma catalizzata dall'enzima peptidil transferasi; - il rilascio del tRNA dal ribosoma; - la separazione delle due subunità del ribosoma e dunque dell'mRNA. Genetica Mendeliana Mendel era un abate che ha vissuto nel 1800, fondatore della genetica moderna, grazie ai suoi studi dei caratteri ereditari, svolti sul pysum sativo, ottenne dei risultati che interpretò in modo tale da fornire le basi di tutta la genetica moderna. Gli esperimenti che svolse furono sulla pianta di pisello, utile dal punto di vista genetico in quanto, sulla stessa pianta possiamo avere sia gli organi genitali maschili che quelli femminili, e quindi è possibile reincrociare le piante con determinate caratteristiche, inoltre la pianta ha un ciclo di vita molto breve, e questo ha permesso di ottenere risultati in poco tempo. Uno dei primi esperimenti che fece fu quello di utilizzare delle piante di pisello con caratteristiche diverse tra loro. Prese delle piante alte e delle piante nane, le piante alte erano delle linee pure, quindi piante che incrociate tra loro, davano sempre origine a piante alte, analogamente le piante nane incrociate tra loro davano sempre piante nane. Queste linee pure chiamate linee parentali, le incrociò tra loro, quindi incrociò le piante alte con quelle nane, la prima generazione figliale (F1) che ottenne era caratterizzata da tutte piante alte, prese poi queste piante alte della F1 e le incrociò tra di loro, il risultato che ottenne fu un 3/4 di piante alte e 1/4 di piante nane, quindi il carattere della pianta nana presente nella linea parentale scompariva nella prima progenie, ma riappariva con la frequenza di 1/4 nella seconda progenie, arrivò quindi a determinare, quella che è oggi la prima legge di Mendel detta legge della dominanza. Difatti: per ogni carattere considerato (infatti questi esperimenti non furono fatti solo sul carattere alto o nano della pianta ma anche ad esempio sul colore dei semi del pisello, piuttosto che sulla forma) nelle F1, che derivava dall’incrocio di due diverse varietà, compariva solo uno dei due caratteri e mai l’altro, il carattere che scompariva, o che in qualche modo rimaneva nascosto nella prima generazione figliare, si trovava con una frequenza del 25% nella seconda generazione figliare. Mendel definì il carattere che si manifesta nella prima generazione come Dominante, ovvero un carattere che prevale sull’altro, definito Recessivo, e che quindi rimane latente nella prima generazione e che compare nella seconda. Questo avviene perchè nella F1 (prima generazione) sono presenti entrambi i caratteri dei genitori, ma essendo il carattere alto dominante sul nano, si può vedere solo il carattere dominante, questa quindi è la legge della dominanza. Se andiamo a vedere questa legge a livello di genotipo, possiamo spiegarci come si muovono questi caratteri detti Alleli. Considerando la pianta alta e indicando il carattere dominante con D grande e quindi genotipo D grande D grande quindi i due alleli ricevuti dai genitori, e la pianta nana indicandola con la lettera d piccolo, quindi genotipo d piccolo d piccolo, abbiamo che dall’incrocio di queste piante otteniamo delle piante tutte alte con genotipo D grande d piccolo, infatti i gameti prodotti dalla pianta alta omozigote D grande D grande porteranno tutti l’allele per D grande e analogamente la pianta della linea parentale nana quindi omozigote recessiva, i gameti avranno tutti l’allele d piccolo, quindi dall’incrocio di questi gameti, tutta la progenie sarà eterozigote, quindi con l’allele D e l’allele d. Reincrociando poi queste piante abbiamo i risultati che ha ottenuto Mendel, perché i gameti ottenuti da queste piante avranno metà con alleale D e metà con alleale d, quindi dal loro incrocio otteniamo tre genotipi diversi: 1/4 omozigote dominante, 1/4 omozigote recessivo e 2/4, quindi la metà, eterozigoti Dd, quindi a livello di fenotipo, quindi di quello che vediamo, vedremo i 3/4 in cui si esprimerà il carattere dominante ed 1/4 in cui si esprimerà il carattere recessivo. Mendel l’ha visto perchè reincrociando le piante della F2 tra di loro, davano sempre piante nane, mentre dei restanti 3/4 reincrociati tra loro, 1/3 quindi quello corrispondente al DD, dava sempre piante alte, mentre l’altra metà i 2/3 del Fenotipo dominante, riproponevano la frequenza di 3/4 dominante e 1/4 di recessivo. essere causa di patologie. Avremo quindi un tipo di eredità Autozomica dominante quando abbiamo una mutazione a livello di cromosomi autozomi, dominante quando il carattere si manifesta sia in omozigosi che in eterozigosi, quindi un individuo affetto ha il 50% di possibilità di avere un figlio affetto da una determinata patologia. Individui che non hanno questa patologia non trasmetteranno il carattere ai figli. Nel caso dell’eredità Autozomica recessiva, la manifestazione di una patologia ci sarà solo in caso di omozigosi recessiva, quindi genitori sani ma portatori (eterozigoti) hanno il 25% di avere figli con la patologia, tanto più la malattia è rara, tanto più è probabile che ci sia una consanguineità con i genitori. Queste patologie possono essere rappresentate con gli alberi genealogici:femmine indicate con un cerchio ed i maschi con il quadrato, gli individui affetti sono colorati. Nell’eredità dominante autozomica, viene trasmesso di generazione in generazione ad alcuni dei figli. In caso invece di carattere recessivo vediamo che la patologia compare solo dopo alcune generazioni, quindi alcuni individui erano portatori, e queste persone affette da una determinata patologia sono figli di consanguinei. I cromosomi sessuali Sono il cromosoma X ed Y, le femmine presentano, nel loro cariotipo due cromosomi X mentre i maschi un X ed un Y, quindi al momento della fecondazione, i gameti prodotti dalla femmina, presenteranno solo un cromosoma X, mentre quelli prodotti dal maschio, saranno per metà portatori del cromosoma X, mentre l’altra metà porterà il cromosoma Y. Questo vuol dire che al momento della fecondazione avremo il 50% di probabilità di avere un figlio maschio piuttosto che femmina. In base ai cromosomi sessuali avremo l’ereditarietà legata al sesso, legata a patologie che sono presenti sul cromosoma X, quindi possiamo avere femmine portatrici e maschi affetti da una determinata patologia. Un esempio è quella dell’emofilia e dei discendenti della regina vittoria d’inghilterra, la regina era portatrice e l’incrocio tra parenti nelle generazioni successive ha portato ad avere abbastanza frequente la patologia dell’emofilia nei discendenti maschi, mentre nelle femmine erano solo portatrici. Questo perchè la femmina ha due cromosomi X e quindi il cromosoma sano compensa l’effetto del cromosoma non sano, mentre nel maschio, che presenta un solo cromosoma X, se quello è portatore dell’emofilia, lui sarà affetto da emofilia. Nella femmina per evitare il sovradosaggio dovuto alla presenza di due cromosomi X, durante lo sviluppo uno dei due cromosomi X viene inattivato, rendendolo eterocromatizzato, quindi abbiamo nel cariotipo, nelle cellule un cromosoma eterocromatizzato ed uno no, questo prende il nome di corpo di bar. Questa inattivazione può portare a caratteristiche particolari come ad esempio nei gatti con tre colori nel pelo, dovuta all’alterazione casuale del cromosoma X. Alterazioni cromosomiche Durante lo sviluppo, il DNA può subire delle mutazioni che possono avvenire a livello dei cromosomi, di genoma o a livello di singolo gene. Le alterazioni cromosomiche sono di vario tipo: Delezioni: una parte del cromosoma si perde Duplicazioni: ripetuta una parte del cromosoma Traslocazione reciproca: scambio di parti dei cromosoma tra due cromosomi non omologhi Inversione: una parte del cromosoma ruota di 180° Nel caso della delezione, abbiamo la perdita di un segmento di cromosoma, può causare dei problemi se il segmento contiene dei geni essenziali per il normale sviluppo e le normali funzioni cellulari. Mentre se è una parte di DNA che non codifica per proteine importanti o per alcuna proteina, non vedremo nessuna alterazione. Nel caso della duplicazione, abbiamo un segmento che si stacca da un cromosoma e si inserisce nel suo omologo e quindi gli alleli si sommano a quelli già presenti, non sempre ha effetti negativi, dipende dai geni e dagli alleli localizzati in quel segmento genomico. Un esempio è l’emoglobbina, da cui, in seguito a duplicazione cromosomiche e successive mutazioni dei geni duplicati, hanno avuto origini varianti utili dell’emoglobbina. Abbiamo poi la traslocazione reciproca: è l’appaiamento non omologo tra due cromosomi e lo scambio di parti del cromosoma reciproco. Questo implica che, alcuni geni possono trovarsi sotto dei promotori molto attivi, come il Linfoma di Burkitt, dove, geni che controllano la divisione cellulare, nella nuova collocazione si trovano vicino a regioni che controllano geni molto attivi, questo porta ad una maggior espressione di geni che controllano la divisione cellulare, e quindi portano ad avere divisioni cellulari incontrollate con conseguente sviluppo di cancro. Quando abbiamo l’Inversione: abbiamo la rotazione di un segmento del cromosoma che si stacca e ruota di 180à, questo porta all’inversione di geni presenti su quel cromosoma, e se la rottura, avviene all’interno di alcuni geni può portare alla perdita della specifica funzione di quei determinati geni con conseguenze più o meno importanti. Non - disgiunzione meiotica Quando le cellule della linea germinale entrano in meiosi, può accadere che una coppia di cromosomi omologhi, anzi che separarsi nelle due cellule figlie equamente, migrino solo in una delle due cellule, se la non-disgiunzione avviene nella prima meiosi, avremo la formazione di gameti di cui il 50% porteranno un cromosoma in più, mentre l’altro 50% porteranno un cromosoma in meno. Mentre se la non-disgiunzione avviene alla seconda divisione meiotica, avremo la metà dei gameti sani, perchè derivano dalla cellula che si è divisa equamente, mentre 1/4 dei gameti avrà un cromosoma in meno, ed 1/4 avrà un cromosoma in più. La conseguenza della formazione di questi gameti porta all’Aneuplidia. L’aneuplidia: un gamete che porta un cromosoma in più o in meno, viene fecondato da un gamete sano, porta alla formazione di un cariotipo che avrà uno o pochi elementi in più o meno rispetto al normale. Un classico esempio è quello della Trisomia del cromosoma 21, deriva da una non disgiunzione meiotica che porta un gamete ad avere i due cromosomi 21, quindi nel momento in cui viene fecondato da un altro gamete sano, si avrà la presenza di tre cromosomi 21, questa trisomia porta alla sindrome di down, in cui la presenza di un cromosoma in più porta a conseguenze patologiche. Quando questa non-disgiunzione avviene all’interno dei cromosomi sessuali, possiamo avere diversi tipi di patologie, se prendiamo una cellula uovo con due cromosomi X che non si separano, porta alla formazione di gameti di cui il 50% non presenta cromosomi X mentre l’altra metà presenta due cromosomi X, quindi al momento della fecondazione avremo diverse combinazioni: la fecondazione di un gamete senza cromosoma X da parte di uno spermatozoo Y porta ad uno zigote non vitale Y0, mentre la fecondazione da parte di uno spermatozoo che porta il cromosoma X, porta alla formazione di uno zigote X0 che dà origine alla sindrome di Turner, questa dà origine a femmine con ovaie iposviluppate e sterili mentre la fecondazione di uno spermatozoo Y che feconda una cellula uovo con due cromosomi X porta alla formazione di uno zigote XXY e quindi un individuo che sviluppa la sindrome di: Klinefelter, gli individui con questa sindrome sono maschi con testicoli iposviluppati e sterili. Sindrome del triplo X, la si apporta ad individui femmine apparentemente normali, solo alcune volte lievemente ritardate. Poliploidia Presenza di un assetto cromosomico multiplo e maggiore di due rispetto a quello standard della specie. Questo tipo di anomalia, deriva da un cattivo funzionamento del fuso mitotico e quindi i cromosomi duplicati non si separano nelle due cellule figlie ma restano tutti in un unico nucleo, questo porta alla formazione di gameti diploidi, quindi quando verranno fecondati, avremo la formazione di un individuo che anziché ripristinare il corredo diploide, avrà un corredo cromosomico tre emme. Negli uomini, solo l’1%arriva alla nascita, o comunque muore nel primo mese di vita. Nelle piante è un fattore benefico perchè diventano più forti. Mutazioni puntiformi Mutazioni che avvengono a livello di una singola base presente nel DNA, a seconda del tipo di mutazione deriveranno conseguenze diverse. Sostituzione di base, ne fanno parte: La mutazione silente ad esempio, una citosina viene scambiata con una guanina, questo però non apporterà nessun cambiamento all’aminoacido perchè più triplette possono codificare per lo stesso amminoacido, quindi non si hanno conseguenze a livello della catena aminoacidica. Sempre nella sostituzione di base possiamo trovare la mutazione missenzo, il cambiamento di una singola base porta al cambiamento di un singolo amminoacido nella proteina, questo può non avere conseguenze se l’amminoacido ha caratteristiche simili all’amminoacido della proteina sana, oppure può avere conseguenze se cambia completamente la caratteristica chimica dell’amminoacido che cambia. Abbiamo poi la Mutazione non senso, ovvero la formazione di una tripletta che è un cordone di stop, cioè, la mutazione che avviene, porta alla formazione di uno dei codoni di stop, che non codificano per nessun amminoacido, con conseguenza che la proteina risulterà troncata da un certo punto in avanti. Poi abbiamo la Frameshift, sono quelle mutazioni in cui slitta la lettura, dovuta alla delusione di una o due basi: Mutazione non senso: si perdono due basi T e G e di conseguenza la sequenza anziché essere AUG ACU, andando via le due basi, la lettura comincerà dalla U e quindi la tripletta successiva sarà UAG e poi AAA ecc. la formazione della tripletta UAG è una di quelle che porta alla formazione dei codone di stop e quindi la proteina verrà troncata. In altri casi la mutazione Frameshift, può alterare la sequenza aminoacidica da un certo punto in poi, la delezione di una singola base, porta alla sfalsatura della lettura quindi delle triplette successive, quindi dal punto di delezione in poi tutti gli amminoacidi risultano cambiati. Un esempio di sostituzione di base che porta all’anemia falciforme, nel gene dell’emiglobbina abbiamo l’associazione di una singola base che porta al cambiamento di un acido glutammico e quindi un acido con carica negativa, ad una sequenza che porta invece una valina, questo porta ad un cambio conformazionale dell’emoglobina con la conseguenza che le nuove molecole si uniscono le une alle altre danno una forma a falce, caratteristica di questa anemia.