Struttura cellulare: Membrana, Citoplasma, Ciclo e Sintesi proteine, Appunti di Biologia

Scarica Struttura cellulare: Membrana, Citoplasma, Ciclo e Sintesi proteine e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! CELLULA EUCARIOTA E’ la cellula tipo dell’organismo umano. Struttura cellulare: MEMBRANA PLASMATICA La membrana plasmatica controlla il traffico tra interno ed esterno della cellula, è caratterizzata da permeabilità selettiva (consente ad alcune sostanze di attraversarla più facilmente di altre). E’ costituita principalmente lipidi, proteine e carboidrati. I lipidi in maggior quantità sono i fosfolipidi, molecole antipatiche costituite da una regione idrofila (teste) e da una idrofoba (code). Il modello a mosaico fluido indica la struttura della membrana caratterizzata da proteine immerse o legate al doppio strato di fosfolipidi. Esistono 2 principali proteine di membrana: • Proteine integrali: penetrano all’interno del core idrofobo del doppio strato fosfolipidico. Molte sono proteine transmembrana (attraversano tutto lo spessore della membrana); altre sono inserite solo parzialmente. Le regioni idrofobe di queste proteine sono costituite da segmenti ricchi di aminoacidi non polari; • Proteine periferiche: non sono immerse nel doppio strato fosfolipidico, ma sono appendici associate alla superficie della membrana. Sul alto citoplasmatico della membrana sono ancorate attraverso legami con il citoscheletro, mentre sul lato esterno alle proteine sono ancorate alle fibre della matrice extracellulare. Carboidrati di membrana: le cellule si riconoscono tra loro legandosi alle molecole di superficie, carboidrati, della membrana citoplasmatica. Alcuni di questi carboidrati sono: Membrana plasmaticaCitoplasmaOrganelliCitosol• Citoscheletro • Microvilli • Centrioli • Cigli • Flagelli Non membranosMembranosiRetic o doplasmatico Apparato del Golgi Lisosomi Perossisomi Ribosomi • legati covalentemente a molecole lipidiche così da costituire glicolipidi; • legati a proteine così da costituire glicoproteine. I carboidrati di membrana svolgono il ruolo di marcatori che consente loro di distinguere una cellula dall’altra. Sintesi delle membrane: 1. sintesi delle proteine e dei lipidi di membrana nel reticolo endoplasmatico. I carboidrati e proteine formano glicoproteine 2. nell’apparato di Golgi le glicoproteine cambiano struttura, e i lipidi possono legare carboidrati trasformandosi così in glicolipidi 3. le proteine transmembrana, i glicolipidi e le proteine secrezione vengono trasportati sulla membrana citoplasmatica da vescicole 4. le vescicole si fondono con la membrana, liberando le proteine secrezione nell’ambiente esterno. Le vescicole posizionano le catene glucidiche di glicoproteine e glicolipidi sulla parte esterna della membrana Permeabilità del doppio strato fosfolipidico: • le molecole apolari, come gli idrocarburi, il biossido di carbonio e l’ossigeno, sono idrofobe e possono disciogliersi nel doppio strato lipidico e attraversarlo senza le proteine di membrana; • il core idrofobo della membrana impedisce l’attraversamento diretto di ioni e di molecole polari (idrofile): glucosio, acqua, atomi o molecole provviste di carica hanno difficoltà a penetrare lo strato idrofobo. GlicoproteinaucideCanale proteico (apert /chiuso)lipide Si trovano in tutte le cellule, hanno strutture a forma di tubo cavo, il cui costituente principale è la proteina globulare tubulina, un dimero formato da 2 subunità di polipeptidi: l’α-tubulina e la β-tubulina. Il microtubulo aumenta la propria lunghezza grazie all’aggiunta di dimeri di tubulina alle estremità. I microtubuli hanno funzione strutturale della cellula, sono binari sui quali si spostano vari organelli e separano i cromosomi durante la divisione cellulare. Si formano dal centrosoma, regione vicina al nucleo. All’interno dei centrosomi c’è una coppia di centrioli (corpo basale), ciascuno formato da nove triplette di microtubuli disposti ad anello, priva di microtuboli centrali (9x3+0). Dai centrioli originano ciglia e flagelli, formati in genere da 9 coppie di microtuboli periferici e una coppia centrale (9x2+2). Il flagello effettua un movimento ondulatorio (forza in direzione parallela al suo asse). Le ciglia realizzano un movimento alternato (forza in direzione perpendicolare rispetto all’asse). • Microfilamenti Sono costituiti da due subunità attorcigliate in doppia elica. Le molecole costitutive della subunità sono monomeri di actina (proteina globulare). Il ruolo strutturale dei microfilamenti consiste nella resistenza alla tensione (forze di trazione). Il reticolo tridimensionale che viene formato è la membrana citoplasmatica (microfilamenti corticali) mantengono la forma cellulare. I filamenti di actina sono paralleli l’uno rispetto all’altro per l’intera lunghezza di una cellula muscolare e intrecciati con altri filamenti di maggiore spessore costituiti da un’altra proteina definita miosina. Similmente alla dineina, la miosina opera come una molecola motrici grazie a proiezioni (bracci) che camminano lungo i filamenti di actina. • Filamenti intermedi Hanno dimensioni intermedi tra microtubuli e microfilamenti. Sono specializzati nella resistenza alla tensione. Ciascuna tipologia di filamento intermedio è costituita da differenti subunità molecolari appartenenti alle proteine cheratine. I filamenti sono caratterizzati da una maggiore stabilità rispetto a microfilamenti e microtubuli, e hanno le funzioni di: mantenere la forma cellulare, alloggiare il nucleo in una tasca, formazione della lamina nucleare. RIBOSOMI Sono costituiti da RNA ribosomiale al 60% e proteine al 40%. Sono deputati alla sintesi proteica. I ribosomi producono proteine in 2 diverse zone del citoplasma. E’ costituito da due subunità che si incastrano tra loro appena ha inizio la sintesi proteica. Quando termina, le due subunità si separano. Ne esistono di due tipi: Ribosomi liberi: sono sospesi nel citosplasma e producono proteine che vengono utilizzate all’interno della cellula. Ribosomi fissi: sono adesi al reticolo endoplasmatico e le proteine ivi sintetizzate entrano nella cavità interna reticolo endoplasmatico per essere modificate, assemblate e trasferite altrove. ORGANULI MEMBRANOSI RETICOLO ENDOPLASMATICO E’ il sistema più esteso di membrane cellulari. Queste formano un complesso sistema di tuboli, vescicole e cisterne: un intreccio di strutture membranose. Le membrane separano il compartimento interno del reticolo (lume dell’RE) da citosol. Esistono due diversi tipi di reticolo: • REL (liscio): appare liscio perché il versante esterno delle membrane che lo delimitano è privo di ribosomi. E’ coinvolto nella sintesi dei lipidi, nel metabolismo dei carboidrati, nella detossificazione di sostanze di rifiuto. Gli enzimi dell’REL sintetizzano vari tipi di grassi (fosfolipidi e steroidi); • RER (rugoso): presenta sulla sua superficie esterna ribosomi, conferendogli la morfologia di membrana ruvida. Proteine integrali, rivolte verso il lume delle cisterne iniziano il processo di glicosilazione per la produzione di glicoproteine, che si completerà nell’apparato di Golgi. Il legame tra la componente glucidica e quella proteica viene realizzato attraverso l’intervento di molecole specifiche prodotte a livello della membrana dell’RER. Le proteine di secrezione si allontanano poi all’interno di vescicole membranose (vescicole membranose) che si formano nell’RE di transito. APPARATO DI GOLGI E’ un organello costituito da una serie di membrane discoidali appiattite dette cisterne (5-6 cisterne) e da vescicole. E’ situato nelle vicinanze del nucleo con cui condivide un versante definito cis o di ingresso, il quale riceve il materiale proveniente dal RE, mentre quello opposto è detto trans o di maturazione, dove viene rilasciato il materiale prodotto nel Golgi. Qui i prodotti dell’RE (proteine) vengono modificati, immagazzinati e inviati. Le vescicole di trasporto trasferiscono il materiale dall’RE all’apparato di Golgi. La membrana di una vescicola di trasporto proveniente dall’RE riversa il suo contenuto nell’apparato del Golgi fondendosi con la faccia cis. I prodotti sintetizzati dal Golgi abbandonano tale distretto sotto forma di vescicole che si distaccano dalla faccia trans. Le cisterne procedono dalla faccia cis a quella trans trasportando e modificano il proprio contenuto parallelamente al loro spostamento. Le vescicole membranose prodotte dal Golgi, prive di segnali specifici, sono destinate alla secrezione per esocitosi; allo stesso tempo altre sostanze penetrano dall’esterno della cellula per un processo di endocitosi, per entrare nel Golgi. LISOSOMI Molte vescicole prodotte dal Golgi non lasciano mai il citoplasma. Tra queste le più importanti sono i lisosomi: vescicole piene di enzimi digestivi, sintetizzati nel RER. I lisosomi realizzano la digestione intracellulare in varie circostanze: alcuni organismi unicellulari fanno fagocitosi, e in seguito il vacuolo alimentare si fonde con un lisosoma. Gli enzimi digestivi degradano il materiale alimentare e i prodotti della digestione passano nel citosol divenendo sostanze nutrienti. PEROSSISOMI E’ un compartimento metabolico circondato da una singola membrana. Gli enzimi al suo interno trasferiscono l’idrogeno presente in vari substrati legandolo all’ossigeno, formando molecole di perossido di idrogeno. Alcuni perossisomi utilizzano l’ossigeno per scindere gli acidi grassi in molecole di dimensioni inferiori. MITOCONDRI Sono la centrale energetica della cellula. L’ossidazione di molecole organiche quali carboidrati e lipidi genera energia, questa energia viene convertita in energia chimica: ATP. Questo processo viene definito respirazione cellulare (processo metabolico attraverso cui viene prodotto ATP da molecole organiche con l’intervento dell’ossigeno). Il mitocondrio è un organello sferico o allungato, è racchiuso da 2 membrane, ciascuna delle quali è un doppio strato fosfolipidico contenente uno specifico corredo di proteine strutturali: la membrana esterna è liscia, quella interna si ripiega a formare creste, aumentano la superficie della membrana mitocondriale, favorendo il processo di respirazione. Quest’ultima divide i mitocondri in 2 compartimenti interni: • spazio intermembrana: sottile regione compresa tra membrana interna ed esterna; • matrice mitocondriale: delimitata dalla membrana interna, contiene enzimi, DNA mitocondriale e ribosomi. RESPIRAZIONE CELLULARE La respirazione cellulare si divide in: • respirazione aerobica: viene consumato ossigeno • respirazione anaerobica: non viene utilizzato ossigeno Le reazioni redox: Reazioni in cui vi è un trasferimento di elettroni da un reagente ad un altro: • ossidazione: perdita di elettroni • riduzione: acquisto di elettroni • agente riducente: sostanza che cede elettroni • agente ossidante: sostanza che accetta elettroni Per strappare un elettrone da un atomo occorre fornire energia; quanto più un atomo è elettronegativo tanto maggiore è l’energia necessaria per strappargli un elettrone NAD+: il glucosio e altri combustibili organici sono decomposti gradualmente attraverso una serie di tappe, ognuna delle quali è catalizzata da uno specifico enzima; nelle reazioni chiave, gli elettroni vengono strappati al glucosio. Ogni elettrone viaggia con un protone (come un atomo di H). Gli atomi di idrogeno passano ad un trasportatore di elettroni, coenzima NAD+, che funziona da agente ossidante Enzimi deidrogenasi rimuovono una coppia di atomi di idrogeno dal substrato, ossidandolo. L’enzima trasferisce i 2 elettroni insieme a 1 protone al proprio coenzima, il NAD+, mentre l’altro protone viene liberato come ione idrogeno (H+) Gli stadi della respirazione cellulare: • Giunzioni occludenti (impermeabili all’acqua): le membrane citoplasmatiche di cellule adiacenti stabiliscono uno stretto contatto unendosi attraverso specifiche proteine • Desmosomi: determinano resistenza dei tessuti muscolari nei quali essi realizzano la giunzione intercellulare. I desmosomi sono ancorati al citoplasma dai filamenti di cheratina • Giunzioni comunicanti: formano canali citoplasmatici transmembrana che collegano due cellule contigue; si compongono di proteine di membrana CICLO CELLULARE La divisone cellulare: Distribuzione in parti uguali alle cellule figlie del materiale genetico: il DNA. Il corredo cellulare di DNA, cioè l’informazione genetica, prende il nome di genoma: • nei procarioti: genoma costituito da una molecola di DNA; • nei eurocarioti: più molecole di DNA. Prima che la cellula si divida in 2 cellule figlie geneticamente identiche: • l’intero corredo di DNA deve essere copiato; • deve realizzarsi la separazione delle due copie in maniera tale che ciascuna figlia possieda in genoma completo. Le molecole di DNA si presentano sotto forma di cromosomi. Ogni specie eucaristica presenta un determinato numero di cromosomi nel proprio nucleo: • nel nucleo delle cellule somatiche umane (tutte le cellule che costituiscono l’organismo, tranne quelle sessuali) sono presenti 46 cromosomi; • le cellule riproduttive, gameti, (cellule uovo e spermatozoi) possiedono 23 cromosomi I cromosomi eucaristici sono costituiti da cromatina, formata da: 1. DNA: ciascun cromosoma contiene una molecola lineare di DNA che reca migliaia di geni, unità che codificano i caratteri ereditari di un organismo; 2. proteine: danno sostegno alla struttura cromosomica. Quando una cellula: • non è in fase di divisione cellulare • si trova nello stadio di duplicazione del proprio DNA ciascun cromosoma appare come una fibra allungata e sottile di cromatina Dopo la duplicazione del DNA ogni fibra di cromatina si avvolge, si accorcia e acquista spessore. Ciascun cromosoma, dopo la duplicazione, è costituito da 2 cromatidi fratelli, uniti dai complessi proteici coesine. Nella sua forma condensata il cromosoma duplicato è assottigliato in corrispondenza del centromero, dove i due cromatidi fratelli sono più appaiati. Le parti cromatidi che emergono dal centromero sono dette braccia Nelle fasi successive della divisione cellulare: • i due cromatidi fratelli tendono ad allontanarsi • si posizionano all’interno dei due nuclei che si sono formati alle estremità della cellula madre La divisone del nucleo, mitosi, è seguita dalla divisione del citoplasma, citodieresi. I gameti (cellule uovo e spermatozoi) vengono prodotti per meiosi: 1. variante della divisione cellulare che si svolge esclusivamente nelle gonadi (ovaie e testicoli) 2. conduce alla formazione di cellule figlie non identiche contenenti solo metà dei cromosomi rispetto alla cellula progenitrice Mitosi: conserva il corredo cromosomico; Meiosi: riduce il numero di cromosomi da 46 a 23; Fecondazione: riporta il numero a 46 attraverso la fusione dei due gameti. MITOSI Fasi del ciclo cellulare: Interfase: è fase più lunga. La cellula si accresce e duplica i propri cromosomi preparandosi alla divisione cellulare. Si compone di tre fasi distinte: • Fase G1 (primo intervallo, 8+ ore): la cellula cresce e possiede un normale metabolismo, gli organelli si riproducono; • Fase S (sintesi, 6-8 ore): raddoppiamento del DNA quindi duplicazione\replicazione; • Fase G2 (secondo intervallo, 2-5 ore): si accresce ulteriormente per prepararsi alla divisione; • Fase G0: cellula stabile che non compie più il ciclo ma può riprenderlo (epatociti); • Fase Gz: cellula perenne, dopo essersi composta non compie più il ciclo (neuroni). Fase M (mitosi e citochinesi, 1-3 ore): • Mitosi: • Profase I cromosomi iniziano a condensarsi, ne consegue l’inibizione della sintesi dell’RNA che comporta la scomparsa del nucleolo. I centrosomi migrano alle estremità opposte della cellula, costituendo così la formazione dei poli del fuso e dando inizio contemporaneamente alla produzione dei microtubuli del fuso. Da ciascun centromero emerge un aster, struttura a raggiera formata dai microtubuli più corti. Ognuno dei due cromatidi fratelli del cromosoma presenta un cinetocore, struttura localizzata in prossimità del centromero e costituita da proteine associate a specifiche regioni del DNA cromosomico. Uno dei cinetocori del cromosoma viene catturato dai microtubuli, il cromosoma inizia a muoversi verso il polo da cui si estendono gli stessi microtubuli. Tale movimento si arresta quando i microtubuli del polo opposto si attaccano all’altro cinetocore; il cromosoma viene quindi posizionato a metà strada fra i due poli della cellula; • Metafase I centromeri dei cromosomi duplicati sono disposti su un piano compreso fra i due poli del fuso (piastra metafisica); • Anafase Le coesine, che tengono uniti i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma, vengono degradate ad opera di specifici enzimi proteolitici, i cromatidi diventano cromosomi e iniziano a migrare verso i poli opposti della cellula, la migrazione dei cromosomi verso i poli opposti della cellula avviene per mezzo di proteine motrici. Al termine dell’anafase le due serie complete di cromosomi si dispongono alle estremità opposte della cellula madre allungata; • Telofase Verso la fine dell’anafase e iniziata la telofase avviene la divisione del citoplasma. I nuclei si riformano, all'interno dei quali sono racchiusi i due gruppi di cromosomi che andranno verso la despiralizzazione per formare la cromatina. Si riforma anche il nucleolo. Il fuso mitotico tende a dissolversi. La divisione in due cellule figlie è data da uno strozzamento lungo l’asse equatoriale. Questo anello contrattile è formato da filamenti di actina; • Citochinesi (citocinesi, citodieresi) Avviene tramite il processo di scissione: compare un solco di scissione, sottile incisione sulla superficie cellulare in prossimità della vecchia piastra metafisica, sul lato citosolico del solco si forma un anello contrattile costituito da microfilamenti di actina associati a molecole di miosina. L’interazione dei microfilamenti di actina con le molecole di miosina determina la contrazione dell’anello. La cellula madre si divide in 2 cellule figlie. Sistema di controllo del ciclo cellulare: un punto di controllo corrisponde a un momento del ciclo cellulare a livello del quale si realizza il controllo • segnali di arresto • senali di progressione I 3 punti di controllo più importanti si trovano nelle fasi: chiude, consentendo o impedendo il flusso di ioni specifici, come Na+ o Ca+, attraverso il canale. DNA I due filamenti di DNA sono complementari: ciascuno contiene l’informazione necessaria per costruire l’altro. Quando una cellula copia una molecola di DNA, ciascun filamento serve da stampo per la definizione dell’ordine dei nucleotidi del nuovo filamento complementare. I nucleotidi si allineano l’uno dopo l’altro lungo il filamento stampo secondo le regole di appaiamento delle basi e si uniscono per formare i nuovi filamenti (modello semiconservativo). Replicazione (duplicazione): Ha inizio nei siti “origini di replicazione”, brevi tratti di DNA caratterizzati da una specifica sequenza nucleotidica. Le proteine, che danno inizio al processo, riconoscono la sequenza e si legano, determinando la separazione dei due filamenti e la formazione della bolla di replicazione. All’estremità di ciascuna bolla è presente una forca di replicazione, regione a forma di Y dove avviene la distensione progressiva dei filamenti parentali di DNA, alla quale partecipano le proteine elicasi, enzimi che aprono la doppia elica. La catena nucleotidica iniziale, che si forma durante la sintesi di DNA, è costituita da un breve tratto di RNA, il primer, sintetizzato dall’enzima primasi, che dà inizio alla sintesi di una catena di RNA a partire da un singolo nucleotide di RNA, aggiungendo un nucleotide alla volta e utilizzando il filamento di DNA come stampo. La sintesi del nuovo filamento di DNA inizierà dall’estremità 3’ del primer. Gli enzimi DNA polimerasi catalizzano la sintesi di nuove molecole di DNA, ma richiedono un primer e un filamento stampo di DNA lungo il quale si allineano progressivamente nucleotidi complementari di DNA. Anche i due nuovi filamenti devono essere antiparalleli rispetto ai loro stampi, quindi l’allungamento di un nuovo filamento può avvenire solo in direzione 5’→3’. Il DNA polimerasi III può sintetizzare senza interruzioni un filamento complementare lungo uno stampo, allungandolo in direzione 5’→3’, posizionandosi nella forca di replicazione di un filamento stampo e, parallelamente allo spostamento in avanti della forca, aggiunge nucleotidi al nuovo filamento complementare. Si forma così il filamento guida. Il DNA polimerasi III deve procedere sul secondo stampo in modo da allontanarsi dalla forca. Il filamento di DNA sintetizzato secondo tale modalità è il filamento ritardato, che viene sintetizzato inizialmente sotto forma di un insieme di brevi segmenti, i frammenti di Okazaki. Il DNA polimerasi I sostituisce i nucleotidi dell’RNA del primer con i nucleotidi adatti al DNA. il DNA ligasi lega l’ultimo nucleotide di questo frammento con il primo del frammento di Okazaki. Errori di replicazione: nel caso di un errore nell’appaiamento di un nucleotide, la DNA polimerasi rimuove il nucleotide e riprende la sintesi: • riparazione degli errori di appaiamento: alcuni enzimi rimuovono e sostituiscono i nucleotidi appaiati scorrettamente in conseguenza di un errore nel processo di replicazione; • riparazione per escissione di nucleotidi: un segmento di filamento danneggiato viene rimosso (escisso) dall’enzima nucleasi, che taglia il DNA. Il buco viene riempito con nucleotidi, utilizzando il filamento integro come stampo, dalla DNA polimerasi e ligasi. La replicazione delle estremità del DNA: negli eucarioti le estremità di DNA cromosomi cosi accorciano nel corso di ciascun ciclo di replicazione. La presenza dei telomeri, sequenze nucleotidiche ripetute alle estremità delle molecole di DNA lineare, ritardano l’erosione dei geni. La telomerasi catalizza l’allungamento dei telomeri nelle cellule germinali. Il cromosoma: la cromatina eucariotica che costituisce un cromosoma è composta: • DNA • Proteine istoniche • gli istoni si legano fra loro e alla molecola di DNA • si formano i nucleosomi, unità base nell’ambito del processo di compattazione del DNA • le code istoniche si estendono all’esterno del nucleosoma • più livelli di avvolgimento portano ad una struttura altamente compattata • la modificazione degli istoni influenza il grado di compattazione della cromatina eucromatina:cromatina in forma poco compatta (interfase) eterocromatina: piccola parte di cromatina in forma più compatta LA SINTESI DELLE PROTEINE L’espressione genica: processo mediante il quale il DNA dirige la sintesi di proteine. L’espressione dei geni che codificano le proteine si svolge in 2 fasi: • trascrizione • traduzione I geni contengono le informazioni necessarie per costruire specifiche proteine. Il collegamento fra DNA e la sintesi delle proteine è l’RNA, simile al DNA, ma contiene: • lo zucchero ribosio al posto del desossiribosio; • presenta la base azotata uracile al posto della timina. Nelle molecole di DNA e RNA i monomeri sono rappresentati dai quattro tipi di nucleotidi che differiscono fra loro per la presenza di una diversa base azotata • i geni sono costituiti da nucleotidi e ognuno è caratterizzato da una specifica sequenza di basi • le catene polipeptidiche di una proteina presentano uno specifico ordine lineare di monomeri, i 20 aminoacidi Gli acidi nucleici e le proteine contengono informazioni scritte in due linguaggi chimici distinti: • la trascrizione: sintesi dell’RNA dettata dal DNA. Entrambi gli acidi nucleici usano lo stesso linguaggio e l’informazione viene semplicemente trascritta, copiata da una molecola all’altra. Il filamento di DNA serve da stampo per l’assemblaggio di una sequenza complementare di nucleotidi dell’RNA. Nel caso di un gene che codifica una proteina, la molecola di RNA risultanti è una trascrizione fedele delle istruzioni geniche per la sintesi proteica. Questo è l’RNA messaggero (mRNA), poiché trasporta il messaggio genetico dal DNA al luogo deputato alla sintesi delle proteine. • la traduzione: sintesi di un polipeptide che avviene sotto la guida dell’mRNA. La cellula deve tradurre la sequenza di basi di una molecola di mRNA in una sequenza di amminoacidi di un polipeptide. La traduzione avviene nei ribosomi Le triplette di basi nucleotidiche sono le più piccole unità in grado di codificare tutti gli aminoacidi Il flusso dell’informazione dal gene alla proteina si basa su un codice a triplette: le istruzioni genetiche per una catena polipeptidica sono scritte nel DNA sotto forma di 3 nucleotidi • le triplette nucleotidiche di mRNA sono dette codoni, e vengono scritte nella direzione 5’→3’ • tali codoni sono complementari al filamento stampo e la loro sequenza risulta identica a quella dell’mRNA • durante la traduzione, la sequenza dei codoni nella molecola di mRNA viene decodificata, ossia tradotta, in una sequenza di amminoacidi che costituisce la catena polipeptidica • ciascun codone specifica quale dei 20 amminoacidi sarà incorporato nella posizione corrispondente del polipeptide I costituenti molecolari della trascrizione: • l’mRNA, trasportatore dell’informazione del DNA; è trascritto da un filamento stampo di un gene • l’enzima RNA polimerasi separa i due filamenti di DNA e lega assieme i nucleotidi dell’RNA • le RNA polimerasi possono costruire un nucleotide soltanto in direzione 5’→3’ • la sequenza di DNA cui si lega l’RNA polimerasi dando inizio alla trascrizione è il promotore • il segmento di DNA che viene trascritto in una molecola di RNA è l’unità di trascrizione Il promotore: • serve come sito di legame per l’RNA polimerasi • determina il punto di inizio della trascrizione 3. la proteina fattore di rilascio si lega al codone di stop nel sito A e provoca l’aggiunta di una molecola di acqua anziché di un amminoacido alla catena polipeptidica 4. questa reazione idrolizza (spezza) il legame tra il polipeptide e il tRNA nel sito P, e segue il rilascio del polipeptide Ripiegamento (folding) delle proteine: 1. durante la sintesi, una catena polipeptidica inizia a ripiegarsi spontaneamente, in base alla sua sequenza amminoacidica (struttura primaria) 2. la presenza di una proteina chaperone favorisce il corretto ripiegamento Le mutazioni puntiformi: • mutazioni: variazioni dell’informazione genetica di una cellula • mutazioni puntiformi: modificazioni chimiche a carico di una sola coppia di basi di un gene 1. sostituzione di coppie di basi:sostituzione di un nucleotide e del suo partner con un’altra coppia (a volte sono dette mutazioni silenti se non provocano effetti sulla proteina) 2. mutazioni di senso: può avere un piccolo effetto sulla proteina, poiché si modifica un singolo amminoacido in una regione della proteina di importanza cruciale. Il codone modificato codifica ancora per un amminoacido e quindi ha senso, sebbene non quello giusto 3. mutazioni non senso: mutazioni che trasformano un codone di un amminoacido in un codone di stop, causando l’arresto prematuro della traduzione 4. inserzioni: mutazioni caratterizzate dall’aggiunta di coppie di nucleotidi. Alterano al griglia di lettura del messaggio genetico 5. delezioni: mutazioni caratterizzate dalla perdita di coppie di nucleotidi 6. mutageni: mutageni chimici e fisici sono responsabili del danno al DNA che può condurre ad un’alterazione dei geni MEIOSI MEIOSI I • Profase I Sinapsi (profase I): i cromosomi duplicati si appaiano ai rispettivi omologhi e si legano ad essi per tutta la loro lunghezza, grazie alla struttura proteica complesso sinaptonemico. Avviene il crossing over (tarda profase): ricombinazione genetica fra cromatidi non fratelli. Si assiste alla dissociazione del complesso sinaptonemico, cui segue l’allontanamento dei due omologhi che rimangono collegati a livello di almeno una regione a forma di X, il chiasma (nella mitosi non avviene). • Metafase I Le coppie di cromosomi omologhi si allineano sulla piastra metafisica (nella mitosi si allineano i singoli cromosomi). • Anafase I I cromosomi duplicati di ogni coppia di omologhi migrano verso i poli opposti, ma i cromatidi fratelli di ogni cromosoma rimangono associati (contrariamente alla mitosi). • Telofase I Si formano cellule aploidi, con cromosomi dicromatici, pronte per la seconda divisione meiotica. • Interfase I In alcuni casi, terminata la meiosi I, può avvenire l'Interfase (o intercinesi) in cui i cromosomi si despiralizzano; in molte specie si passa invece direttamente dalla telofase I alla profase II. MEIOSI II • Profase II La seconda divisione meiotica è quasi identica alla mitosi, infatti genera quattro cellule aploidi, invece che diploidi, perché non è preceduta da un ciclo cellulare adeguatamente fornito di fase S, e quindi avviene in presenza di un corredo cromosomico diploide e non tetraploide. • Metafase II Come per la mitosi: si forma il fuso, la piastra equatoriale, si collegano le fibre del fuso al centromero di ogni cromosoma che resta connesso così a entrambi i poli. • Anafase II I centromeri si dividono come per la mitosi e si separano i due cromatidi di ogni cromosoma, migrando ai poli della cellula. Ricordiamo che i cromosomi sono qui solo 23. • Tetofase II Le cellule si separano. Ogni cellula contiene 23 cromosomi, è, cioè, aploide. Da una cellula progenitrice diploide, lo spermatogone, si ottengono 4 spermatozoi, aploidi. Per i gameti femminili, invece, da un oogone diploide si ottiene solo un oocita aploide (e due o tre globuli polari). • Citodieresi Scissione cellulare e i microtubuli del fuso scompaiono. I quattro nuclei contengono un numero aploide di cromosomi. La meiosi I viene definita divisione riduzionale perché il suo verificarsi comporta un dimezzamento del numero di cromosomi della cellula (dallo stato diploide a quello aploide). La meiosi II viene definita divisione equazionale perché i cromatidi fratelli si separano dando luogo a cellule figlie aploidi. RIPRODUZIONE SESSUALE Esistono due tipi di riproduzione animale: 1. Riproduzione sessuata: fusione di gameti aploidi dà origine a una cellula diploide, lo zigote. Il gamete femminile è la cellula uovo, quello maschile lo spermatozoo. 2. Riproduzione asessuata: formazione di nuovi individui senza che vi sia necessità di unione tra cellule uovo e spermatozoi; si basa si cicli successivi di divisioni mitotiche. Meccanismi di riproduzione asessuata: • Scissione: suddivisione di un organismo genitore in due individui di dimensioni identiche. • Gemmazione: nuovi individui prendono origine da estroflessioni che si estendono dal corpo dell’organismo genitore. • Frammentazione: suddivisione del corpo dell’individuo in diverse parti; segue la rigenerazione, ricrescita delle parti perdute. • Partenogenesi: una cellula uovo si sviluppa senza essere fecondata, dando origine a una discendenza aploide o diploide. Meccanismi riproduzione sessuata: • Ermafroditismo: modalità riproduttiva in cui ciascun individuo possiede entrambi i sistemi riproduttivi maschile e femminile. Durante l’accoppiamento l’animale dona e riceve spermatozoi • Fecondazione: processo di unione fra spermatozoi e cellule uovo; può essere: • Esterna: la femmina libera nell’ambiente le uova che il maschio provvede a fecondare. L’ambiente esterno deve essere umido per permettere agli spermatozoi di raggiungere la cellula uovo. • Interna: gli spermatozoi vengono depositati all’interno o in prossimità delle vie genitali femminili e la fecondazione avviene all’interno di quest’ultime. Rappresenta un adattamento che consente agli spermatozoi di raggiungere efficacemente la cellula uovo anche quando l’ambiente esterno è inospitale. • quando aumenta di pressione si chiudono le vene di drenaggio, causando il ristagno di sangue nel pene e il conseguente irrigidimento • il corpo principale del pene è rivestito da uno starto cutaneo spesso • l’apice del pene, glande, presenta un rivestimento più sottile e una plica cutanea, il prepuzio La risposta sessuale umana Ci sono due tipi di reazioni fisiologiche: • vaso congestione: aumento dell’afflusso sanguigno a livello di un determinato tessuto • miotonia: aumento della tensione muscolare Processo di produzione dei gameti La gametogenesi è lo studio del processo di produzione dei gameti. Spermatogenesi: formazione e sviluppo delle cellule spermatiche • i processi di divisione e maturazione cellulare si svolgono all’interno dei tubuli seminiferi nei due testicoli • il processo di produzione di uno spermatozoo richiede sette settimane • le cellule germinali iniziali dei testicoli embrionali si dividono in cellule staminali che attraverso mitosi formano spermatogoni • questi danno origine agli spermatociti, ciascuno dei quali dà origine a 4 spermatidi attraverso meiosi riduzionale (da 2n a n) • gli spermatidi si modificano in spermatozoi, che sono liberati nel lume del tubulo e poi nell’epididimo Ovogenesi: Sviluppo ovociti maturi è di lunga durata. Le cellule uovo immature si formano nelle ovaie e si sviluppano dopo anni: • ha inizio nell’embrione femminile, con la produzione di ovogoni dalle cellule germinali primordiali • gli ovogoni si dividono per mitosi fino a formare cellule che iniziano il processo di meiosi interrompendosi in profase I. gli ovociti primari, contenuti nei follicoli, arrestano il proprio sviluppo prima della nascita • a partire dalla pubertà l’ormone follicolo-stimolante (FSH) stimola periodicamente un gruppo di follicoli a riprendere il proprio sviluppo • a ogni ciclo solo un follicolo matura e il suo ovocita primario termina la meiosi I e inizia la meiosi II, che si arresta in metafase • li follicolo si rompe nell’ovulazione e rilascia l’ovocita secondario in meiosi II, che si completa solo se viene fecondato • il prodotto del processo di ovogenesi è rappresentato da una singola cellula uovo matura che contiene la testa dello spermatozoo • i residui del follicolo che è andato incontro a ovulazione danno origine a corpo luteo, struttura destinata a degenerare se l’ovocita non viene fecondato Attività riproduttiva regolata L’azione coordinata degli ormoni prodotti da ipotalamo, adenopifisi e gonadi è responsabile della regolazione dell’attività riproduttiva in maschio e femmina: • l’ipotalamo: secerne l’ormone di rilascio delle gonadotropine (GnRH) che stimola l’adenoipofisi a liberare le gonadotropine, cioè l’ormone follico-stimolante (FSH) e l’ormone luteinizzante (LH). Questi due ormoni operano agendo: • direttamente sui tessuti bersaglio delle gonadi • indirettamente mediante il controllo della produzione di ormoni sessuali. I principali sono di natura steroidea: androgeni nei maschi (testosterone) e estrogeni nelle femmine (estradiolo) Ciclo ormonale dell’apparato riproduttivo maschile Gli ormoni FSH e LH liberati in risposta al GnRH sono entrambi ncecessari per la spermatogenesi; L’ormone FSH: • promuove l’attività delle cellule del Sertoli nei tubuli seminiferi • funzione di nutrimento degli spermatozoi L’ormone LH: • regola l’attività delle cellule del Leyding negli spazi interstiziali, che in risposta al LH secernono testosterone e altri androgeni che promuovono al spermatogenesi nei tubuli Il testosterone: • regola i livelli di GnRH, FSH, LH Cicli riproduttivi femminili • ciclo mestruale (uterino): riguarda tutti i cambiamenti che avvengono a livello uterino e presenta un durata di 4 settimane • ciclo ovarico: eventi ciclici che si svolgono nelle ovaie Ciclo ovarico: • inizia con il rilascio di GnRH da parte dell’ipotalamo • esso stimola l’adenoipofisi a liberare FSH e LH • l’ormone follicolo-stimolante stimola l’accrescimento del follicolo • le cellule del follicolo producono ora estradiolo • livello di FSH e LH si innalzano, facendo maturare il follicolo • il follicolo maturo si accresce e si attua l’ovulazione • all’ovulazione segue la fase luteinica del ciclo ovarico • l’ormone LH stimola il tessuto residuo del follicolo che è andato incontro a ovulazione a trasformarsi in corpo luteo, che produce progesterone ed estradiolo • l’aumento di estrogeni e progesterone determina feedback negativo su ipotalamo e ipofisi, riducendo FSH e LH • la riduzione dei livelli di gonadotropine porta alla degenerazione del corpo luteo, facendo diminuire estrogeni e progesterone • a questo segue nuovamente la secrezione di FSH che stimola la crescita del follicolo nell’ovaio, dando inizio al ciclo ovarico successivo Ciclo uterino: • la secrezione di estradiolo di follicoli fa inspessire l’endometrio • la fase follicolare del ciclo ovarico è sincrona alla fase proliferativa del ciclo uterino • dopo l’ovulazione, l’estradiolo e il progesterone secreti dal corpo luteo stimolano la crescita continua e il mantenimento della mucosa uterina e l’accrescimento delle ghiandole endometri ali, che secernano liquido nutriente (fase secretoria) • dopo la lisi del corpo luteo, si riducono i livelli di ormoni ovarici e vi è vasocostrizione delle arterie dell’endometrio • la maggior parte della mucosa uterina va incontro a degenerazione (fase del flusso mestruale) Lo sviluppo animale Ci sono tre fasi durante le quali vi è l’inizio dello sviluppo corporeo: •.1. segmentazione: le divisioni cellulari inducono la trasformazione dello zigote in un ammasso sferoidale di cellule, la blastula •.2. gastrulazione: la blastula si evolve in un embrione provvisto di tre strati, la gastrula •.3. organogenesi: interazione e movimenti dei tre strati determinano la formazione di organi rudimentali da cui originano le strutture dell’adulto Fecondazione: funzione di combinare due corredi cromosomici aploidi in due individui diversi in una singola cellula diploide, lo zigote • il contatto fra spermatozoo e ovocita determina l’attivazione della cellula uovo • le molecole del rivestimento della cellula uovo provocano la reazione acrosomiale dello spermatozoo • tale reazione inizia quando l’acrosoma, vescicola specializzata posta sulla testa dello spermatozoo, rilascia enzimi idrolitici che digeriscono il rivestimento gelatinoso dell’uovo • penetra il processo acrosomiale dello spermatozoo • il contatto fra apice del processo acrosomiale e membrana citoplasmatica dell’uovo conduce alla fusione dei due gameti • la variazione del potenziale di membrana (depolarizzazione) provoca il blocco rapido della polispermia, cioè impedisce l’ingresso di altri spermatozoi • le vescicole granuli corticali si fondono con la membrana citoplasmatica dell’uovo, dando inizio alla reazione corticale • qui molte molecole contenute nei granuli vengono secrete nello spazio perivitellino, consolidando lo strato vitellino a membrana di fecondazione, che non permette l’entrata di altri spermatozoi GENETICA MENDELIANA Carattere: caratteristica ereditaria che si manifesta in maniera variabile tra gli individui. Tratto: variante di un carattere. Mendel decise di studiare solo i caratteri che si presentavano in 2 forme alternative, e non intermedie. • i genitori sani di un individuo affetto da una malattia autosomica recessiva sono eterozigoti obbligati: il loro genotipo è necessariamente Aa, poiché hanno: 1. un allele mutato (a) che trasmettono alla prole 2. un allele normale (A) che non fa mostrare il fenotipo patologico • ciascun figlio ha il 25% di probabilità di ereditare entrambi gli alleli recessive di essere affetto Malattie autosomiche dominanti: • la condizione di eterozigosi, la presenza di un solo allele mutato, è sufficiente a determinare la comparsa del fenotipo patologico • l’allele mutato è dominante rispetto all’allele normale • un individuo affetto da una patologia autosomica dominante ha un genitore affetto dalla stessa patologia che gli ha trasmesso l’allele mutato Malattie legate al cromosoma X: • sono malattie generalmente recessive • le donne, presentando due cromosomi X, possiedono due alleli per ogni gene del cromosoma X • le donne eterozigoti per una malattia legata all’X saranno portatrici sane, in quanto presentano un allele normale che non fa manifestare la malattia • i maschi, che hanno un solo cromosoma X, possiedono un solo allele per ogni gene del cromosoma X, e sono quindi omozigoti • se questo unico allele è mutato, l’individuo manifesterà inevitabilmente la malattia • la trasmissione delle malattie legate all’X avviene solitamente da madre portatrice sana a figlio maschio • penetranza: percentuale di persone con un particolare genotipo che presenta un fenotipo patologico correlato, cioè manifesta i segni e i sintomi della malattia • penetranza incompleta: tutti gli individui eterozigoti per la mutazione manifestano la malattia a livello clinico • mosaicismo: presenza di due o più popolazioni di cellule con genotipi diversi in un unico individuo: 1. mosaicismo somatico: la mutazione colpisce le cellule somatiche 2. mosaicismo germinale o gonadico: la mutazione riguarda le cellule riproduttive Malattie cromosomiche: alterazione dell’assetto cromosomico che comportano perdita o acquisizione di materiale genico attivo cono causa di fenotipi patologici: • non disgiunzione: mancata separazione dei cromosomi: •.c. omologhi durante la meiosi I •.d. Cromatidi fratelli durante la meiosi II in questi casi un gamete riceve due cromosomi identici, l’altro ne rimane privo • aneuploidia: se un gamete aberrante risulta privo di uno specifico cromosoma, la fecondazione porta alla formazione di uno zigote con un cromosoma in meno (2n-1), determinando monosomia per tale cromosoma. Quando un cromosoma è presente in triplice copia nello zigote a causa della presenza di due cromosomi della stessa coppia di un gamete (2n+1) si ha una condizione di trisomia • poliploidia: più di due corredi cromosomici completi in tutte le cellule somatiche Aneuploidie dei cromosomi sessuali: la non disgiunzione dei cromosomi sessuali è causa di numerose condizioni aneuploidi che sembrano influire sull’equilibrio genetico in misura minore rispetto all’aneuploidia degli autosomi. Anomalie strutturali dei cromosomi: errori durante la meiosi o agenti nocivi (radiazioni) causano la rottura di un cromosoma, che determina quattro tipi di alterazioni strutturali: 1. delezione: perdita di un frammento cromosomico; il cromosoma è privo di alcuni geni 2. duplicazione: il frammento deleto può unirsi al cromatide fratello sotto forma di segmento aggiuntivo 3. inversione: il frammento di cromosoma può anche legarsi nuovamente al cromosoma originario ma con orientamento inverso traslocazione: legame del frammento deleto a un cromosoma non omologo.