Biochimica: replicazione dna, sintesi proteica, metabolismo, mutazioni e malattie genetiche, Appunti di Biochimica

Scarica Biochimica: replicazione dna, sintesi proteica, metabolismo, mutazioni e malattie genetiche e più Appunti in PDF di Biochimica solo su Docsity! Biochimica 2 Laura Battaglia Biochimica 2 26/01/2021 PROGRAMMA  Il ruolo degli enzimi  Sintesi del glicogeno  Replicazione del DNA - Fase 1: apertura del filamento - Fase 2: duplicazione del filamento - Fase 3: sintesi del nuovo filamento - Fase 4: trasferimento del DNA  Sintesi proteica - Trascrizione - Traduzione - Come avviene il processo di traduzione? - Come si appaiono gli accoppiamenti di codone e anticodone , aminoacido e tRna  Codice Genetico - Il dogma principale della biologia  Dove è contenuta l’informazione di ciascun individuo? - Cromosoma - Gene  Organismi aploidi e diploidi  Organismi geneticamente modificati  Mutazioni e malattie genetiche  Regolazione della sintesi proteica  Il metabolismo: - La glicolisi - Il ciclo di Krebs - Fosforilazione ossidativa: la catena respiratoria - Fosforilazione ossidativa: la sintesi dell’atp - Beta ossidazione dei grassi Biochimica 2 - Biosintesi degli acidi grassi - Ciclo dell’urea Ruolo degli enzimi Gli enzimi sono catalizzatori biologici in grado di accelerare le reazioni chimiche che avvengono all’interno dell’organismo. Quali sono le funzioni? 1. Gli enzimi, grazie al potersi combinare con il substrato, accelerano le reazioni chimiche in modo reversibile; 2. Gli enzimi sono in grado di distorcerne la struttura Ogni reazione avviene nel nostro organismo in modo intracellulare ed extracellulare. Perché è fondamentale il loro ruolo? Ci sono tre ragioni per cui l’enzima è fondamentale nel nostro organismo: 1. In loro assenza, le reazioni chimiche sarebbero troppo lente 2. In loro assenza, le reazioni chimiche che avvengono, molte, sarebbero inutili e dannose per il nostro organismo in quanto aspecifiche. Invece, se è presente, ogni enzima riesce a catalizzare una specifica reazione utile ai fini biologici. 3. Gli enzimi riescono ad accoppiare reazioni chimicamente diverse tra loro in modo tale che il prodotto risultante sia energicamente favorevole. Struttura: in natura abbiamo due tipi di enzimi, alcuni sono costituiti da proteine semplici, altri da proteine coniugate nelle quali uno o più catene polipetidiche sono associate a molecole organiche di natura non aminoacidica come NAD (nicotinammide-adenine dinucleotide) e FAD (flavinadenin-di nucleotide) che hanno la funzione di trasportare gli elettroni, per esempio durante la glicolisi Un esempio di come gli enzimi riescano ad accoppiare delle reazioni chimiche differenti è data dalla sintesi del glicogeno. Sintesi del glicogeno In tanto dobbiamo capire, che cosa è la polimerizzazione? È una reazione chimica che porta alla formazione di una catena polimerica data dall’unione di più monomeri. Il glucosio C6H12O6 è un monomero della classe dei carboidrati\glucidi\zuccheri. Tante molecole di Biochimica 2 - Il prodotto della RNAasi è il mRNA (rna messaggero) che ha il compito di trasferire il messaggio. - Prima del trasferimento del messaggio l’mRNA va in contro ad un processo di maturazione perché può essere costituito da segmenti inutili per la biosintesi proteica chiamati introni e devono essere eliminati. Traduzione: è il processo con cui viene sintetizzato una proteina attraverso l’informazione contenuta all’interno della sequenza di basi dell’mRNA corrispondente. Per la realizzazione di questo procedimento si comprendono: 1. mRNA 2. Ribosomi 3. tRNA, molecole adattatore che legano ciascun specifico aminoacido e riconoscono uno specifico codone 4. Amminoacil-tRNA sintetasi, enzimi che catalizzano il caricamento dei tRNA - mRNA maturo esce dalla cellula e raggiunge i ribosomi (complesso multi-enzimatico) immersi nel citoplasma. Il ribosoma è costituito da due subunità, una leggera e una pesante, e si chiude “sopra” lo mRNA per leggerlo. Quale è la funzione del ribosoma? La funzione del ribosoma è quello di appaiare ad ogni terna di basi (chiamate triplette o codoni) un amminoacido che viene dato dal tRNA (transfer). Il tRNA nascente presenta all’estremità 3’ un amminoacido (che verrà legato alla nuova catena nascente attraverso un legame estere). Gli enzimi presenti per accelerare la reazione (ovvero, unione di triplette con un rispettivo aminoacido) sono due: 1. Aminoacil-tRNA sintetasi 2. Peptidil tRNA Questi due enzimi sono ospitati dai ribosomi in due punti continui. Come avviene il processo di traduzione? - Il ribosoma scorre lungo la catena di mRNA e nel frattempo copia ogni tripletta a ciascun aminoacido presente nel tRNA. - Quando il ribosoma raggiunge una tripletta che NON corrisponde a nessun tRNA (codone di stop) questa si ferma e la traduzione è stata completata. - Il tRNA lega all’estremità 3’ un aminoacido e possiede l’anticodone Come avvengono gli accoppiamenti di codone/anticodone, aminoacido/tRNA Intanto, come è costituito il tRna? Il Trna è composto da un anticodone e all’estremità 3’ è presente un aminoacido (ciascun trna presenta un aminoacido diverso, perché sono differenti e con funzioni diverse) . Ci sono due momenti in cui avviene l’accoppiamento: 1. interessa l’accoppiamento tra codone di mRna e anticodone di tRna Biochimica 2 2. interessa l’accoppiamento dell’estremità 3’ del trna con l’amminoacido. La molecola di tRNA riesce a legarsi con un aminoacido attraverso l’enzima aminoacil- tRNA sintetasi. (legame estere tra il gruppo carbossilico COOH dell’aminoacido e il gruppo ossidrilico OH nel C3 dell’ultimo nucleotide). Codice genetico: Esistono 61 possibili triplette che codificano per un singolo amminoacido. Solo 3 delle 64 triplette non corrispondono a nessun aminoacido e, infatti, sono segnalate come segnale stop. Al segnale di stop, la proteina non viene più sintetizzata. Caratteristiche essenziali: 1. Universale: è uguale e identico per tutti 2. Degenerato: ad ogni amminoacido corrispondono più triplette. Cioè, più triplette possono codificare per uno stesso amminoacido Il dogma centrale della biologia molecolare: ad ogni gene corrisponde una proteina. L’informazione genetica segue una direzione ben precisa. Solo per eucarioti e procarioti 1. DNA +DNAasi 2. RNA +RNAasi 3. PROTEINA +ribosomi  Può essere duplicato in altro dna  Una proteina non può mai sintetizzare un RNA, per poi un DNA (cioè fare il percorso inverso) MA Cosa fanno i virus? I virus ad RNA riescono a duplicare il proprio materiale genetico su RNA grazie alla trascrittasi inversa che genera un cDNA dal modello di RNA presente.  Da RNA a DNA (procedimento non possibile in eucarioti e procarioti) Dov’è contenuta l’informazione di ciascun individuo? Ogni uomo contiene l’informazione genetica all’interno di una molecola Biochimica 2 chiamata DNA. Il DNA si trova all’interno di ciascun nucleo di ogni cellula di cui è costituito. Ma com’è formata? I cromosomi: sono strutture filamentose formate da cromatina che contengono le unità di informazioni del DNA chiamati geni. Il gene Il gene è l’unità di informazione contenuta all’interno del DNA che codifica per una determinata proteina (insieme di segmenti di regolazione promotore e terminatore) Mentre, il genoma è l’insieme di tutto il DNA contenuto all’interno della cellula. Ogni cromosoma contiene delle sequenze di geni (quindi, sequenze di DNA) che sono fondamentali durante il processo di trascrizione (da DNA a mRna) . Nei diversi individui, la sequenza di geni è sempre la stessa e per questo motivo, dato che conosciamo la sequenza di geni, è più facile trovare una determinata malattia o patologie in caso presente (se si conosce il gene, si conosce la malattia ed è possibile cercarlo attraverso un prelievo di sangue). Ma perché il gene ha una stessa sequenza per ciascun individuo? Struttura del gene: il gene occupa nel cromosoma una posizione specifica chiamata locus e per questo motivo , a fini diagnostici, è possibile essere certi di trovare quel determinato gene in determinati punti dei cromosomi. Ma per quale motivo, allora, siamo diversi? Ogni uomo, pur avendo dei geni comuni, che si trovano su determinati locus, è diverso dall’altro. Il motivo è dato dalla presenza di alleli. Struttura degli alleli: ciascuno di noi presenta delle forme alternative di gene. Una forma alternativa di gene è dunque chiamata allele. Organismi aploidi e diploidi: diploidi: si definisce un organismo diploide (2N). L’uomo è uno di questi perché contiene 23 coppie di cromosomi omologhi, con un totale di 46 cromosomi: uno derivante del padre e una dalla madre. Soltanto le cellule sessuali, spermatozoo e ovaio, presentano n , ovvero 23 cromosomi. (aploidi) In modo tale che, durante la fecondazione, unione di un uovo e uno spermatozoo, lo zigote presenta un numero totale di cromosomi uguale a 46. ( 23 dati dalla madre e 23 dal padre). Biochimica 2 Mutazioni e malattie genetiche Un errore a carico della DNA polimerasi ( ha il compito di duplicare il DNA vecchio in filamenti di stampo nuovo (duplicazione semi-conservativa) nell’inserire un nucleotide “sbagliato”, cioè non esattamente complementare a quello stampo. In base al tipo di cellula su cui è avvenuta una duplicazione errata, si ha: 1. Mutazione somatica 2. Mutazione germinale La mutazione somatica avviene a carico di un errore di duplicazione nelle cellule somatiche (cellule che costituiscono nell’insieme l’organismo. Per esempio, le cellule dei tessuti etc). Una mutazione a carico di questi non conferisce una ereditarietà e, raramente, possono portare a tumori maligni. Perché portano a tumori? Le cellule somatiche nascono, maturano e muoiono. Non esiste una cellula somatica che non si degrada. Quando questo meccanismo viene meno, le cellule somatiche tendono a trasformarsi in tumori maligni (affinchè queste muoiono, assieme all’uomo). La mutazione germinale avviene a carico di un errore di duplicazione nelle cellule germinali (cellule sessuali, ovociti e spermatozoi). Quando questo avviene, la mutazione avvenuta è ereditabile perché le cellule germinali vanno in contro a mitosi per la produzione di un nuovo organismo (zigote-2n) I casi di mutazioni:  Non conferiscono un cambiamento, produzione di cellule normali e nessuna malattia 1. Mutazione a carico di un segmento di un gene non codificato 2. Mutazione a carico di un segmento di un gene codificato MA che, grazie alla ridondanza del codice genetico, viene convertito una tripletta in un’altra che codifica per uno stesso amminoacido. [come abbiamo sopra, ad ogni amminoacido corrisponde più di una tripletta]  Conferiscono un cambiamento, produzione di cellule non normali e insorgenza di una malattia Biochimica 2 1. Mutazione che avviene nella parte del gene tradotto e cambia il significato di una tripletta. Se cambia il significato della tripletta, cambia l’amminoacido corrispondente, e questo comporta l’insorgersi di una proteina sbagliata in quel luogo. Es:  Emoglobina S (che è una variante dell’emoglobina) provoca anemia a cellule falciformi. Anemia: stato in cui la produzione dei globuli rossi è al di sotto del normale 2. Mutazione che avviene nella parte gene prodotto e cambia la tripletta che codifica per un amminoacido in una tripletta STOP. Così la proteina prodotta è minore del normale e non può garantire la sua funzione. Es:  Talassemia: è una malattia del sangue che comporta un’assenza totale dalla sintesi delle catene polipetidiche presenti nell’emoglobina. Consegue in un’anemia cronica. Questa malattia è altamente diffusa in Sardegna perché i talassemici, in passato, svilupparono una resistenza alla produzione della malaria. Ai tempi, la malaria era altamente diffusa nelle paludi (Sardegna una di queste) 3. Mutazione che avviene nella regione non tradotto da un gene. (parte di un gene non tradotto ma che è stato codificato) Conseguenza della produzione di una sintesi del gene poco efficace e proteina poco efficace (altri tipi di talassemia) 1-2-3 (con malattie) sono ereditabili Biochimica 2 Regolazione della sintesi proteica ( o dell’espressione genica) Gli organismi viventi, sia eucarioti che procarioti, devono regolarizzare l’espressione dei loro geni in modo coordinato e opportuno. Questa coordinazione è chiamata regolazione dell’espressione genica. Nei procarioti: Nel batterio Escherichia Coli, i geni strutturali che codificano prodotti strutturali per lo stesso processo metabolico sono fisicamente vicini e si trovano sotto il controllo di uno stesso promotore e di una sequenza regolatrice chiamata operatore. Geni strutturali, promotore e operatore costituiscono l’unità funzionale chiamata operone. Operone Lac, è costituto da 3 geni strutturali (LacZ, LacY, LacA), che sono convolti nella digestione del disaccaride Lattosio. Ma, il disaccaride lattosio non è sempre presente nel terreno di coltura del batterio. 1. Quando il lattosio non è presente, vi è un quarto gene che sintetizza in modo continuo un repressore (proteina allosterica) che si lega all’operatore inibendo la trascrizione dei geni strutturali grazi alla RNApolimerasi 2. Quando il lattosio è presente, questo si lega al repressore così permettendo la trascrizione dei geni strutturali a carico della RNApolimerasi che si lega al promotore. Biochimica 2 La reazione 1 è irreversibile. !!!!l’enzima fosfofruttochinasi regola l’intera glicolisi La reazione 7 è una ossidoriduzione Ciclo di Krebs: E’ un processo metabolico che avviene all’interno della cellula, più precisamente avviene nei mitocondri (organelli intracellulari specializzati nella produzione di energia. Sono i responsabili della respirazione cellulare). Come è costituito il mitocondrio? - Due membrane - Ha un DNA proprio (ereditato dalla madre) La sua origine? È di origine simbionte derivato da una cellula proto-ancestrale che in passato pare abbia ingerito un procariote. Biochimica 2 Cosa viene prodotto? - 3 NADH - 1 FADH2 - 1 GTP - 2 CO2 (da moltiplicare per due perché sono due cicli dato che la glicolisi ha prodotto due piruvato) MAPPA Come inizia? 1. Il piruvato viene ossidato a ACETIL-COA. 2. ACETIL-COA si combina con ossolacetato che, grazie alla citrato sintetasi, produce citrato (acido citrico) Fosforilazione ossidativa MAPPA La fosforilazione ossidativa è l’ultimo processo della respirazione cellulare, dopo glicolisi e ciclo di Krebs. E’ un processo biologico che si trova in tutti gli organismi aerobi Dove avviene? Avviene nei mitocondri Qual è il suo scopo? FORMAZIONE DI 32 MOLECOLE DI ATP Trarre energia dalle sostanze energetiche prodotte (NADH e FADH2) e immagazzinarla sotto forma di molecole di ATP.  Rigenerare NAD Biochimica 2  Convertire NADH in ATP E’ costituita in due fasi: 1. Catena di trasporto degli elettroni (inter-membrana) Gli elettroni dei coenzimi ridotti NADH e FADH2 sono ceduti alla catena di trasporto degli elettroni per creare un gradiente protonico (ioni H+) nello spazio inter-membrana del mitocondrio 2. Sintesi dell’ATP (trans-membrana) Lo stesso gradiente protonico viene sfruttato per azionare l’enzima ATP-asi in grado di sintetizzare molecole di ATP a parte da ADP+P Beta ossidazione degli acidi grassi Perché si chiama beta? Perché taglia tra l’atomo il Calfa e Cbeta Dove avviene? Matrice mitocondriale E’ un processo CATABOLICO Perché avviene? Converte Acido Grasso in Acetil-CoA La beta ossidazione degli acidi grassi è una via catabolica (produce energia) che serve a convertire un acido grasso in AcetilCoA. Tra i più importanti acidi grassi abbiamo i trigliceridi formati da: