Biologia Applicat/a. Gli esseri viventi, Appunti di Biologia Applicata

Scarica Biologia Applicat/a. Gli esseri viventi e più Appunti in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! BIOLOGIA Un essere vivente è dato da molecole organizzate a formare una cellula, è un’entità soggetta a leggi del mondo fisico, in ogni momento della sua esistenza è organizzato, mantiene un ambiente interno costante, risponde a stimoli, è adatto al suo ambiente e ha delle fasi di riproduzione, accrescimento e sviluppo nelle quali mantiene sempre la capacità potenziale. Per riassumere le principali caratteristiche delle forme di vita sono: -La presenza di un metabolismo proprio -Struttura complessa e organizzata -Presenza di un programma genetico -Capacità di riprodursi, accrescersi e svilupparsi -Capacità di interazione con l’ambiente esterno -Capacità di adattamento evolutivo Tutti gli esseri viventi sono divisi in due grandi gruppi definiti DOMINI a loro volta suddivisi in sei REGNI. I domini sono: -Eucarioti-> comprendono il regno di piante, funghi, animali e protisti e le loro cellule hanno la presenza del nucleo. Gli eucarioti inoltre contengono strutture organizzate chiamate organelli. -Procarioti-> comprendono il regno di batteri e archeobatteri, le loro cellule sono prive di nucleo. Secondo la teoria della cellula, la cellula è l’unità strutturale e funzionale di tutti gli esseri viventi. Tutte le reazioni chimiche di un organismo vivente hanno luogo all’interno delle cellule che contengono le informazioni ereditarie di ognuno. Le cellule originano sempre da altre cellule e i viventi possono essere costituiti da una a più di esse. I virus non sono formati da cellule e non possiedono un proprio metabolismo, per questo essi non sono classificati essere viventi. Per capire le dimensioni delle cellule bisogna tenere presente questa scala di grandezze. La maggior parte delle cellule eucariote è compresa fra 10 e 100 micro La maggior parte dei batteri è compresa fra 1 e 10 micro Al di sotto di queste dimensioni si trovano i virus di qualche decina di nanometri Al di sotto ancora si trovano le macromolecole Infine troviamo gli atomi le cui dimensioni sono in ordine di grandezza dell’angstrom. Il motivo delle dimensioni delle cellule è puramente geometrico, all’aumentare delle dimensioni della cellula diminuisce drasticamente il rapporto tra superficie e volume, dal punto di vista della necessità delle cellule avere una superficie limitata rispetto al volume garantisce un grandissimo limite per quanto riguarda lo scambio di materiale, tutti i materiali passano attraverso la membrana plasmatica e le cellule per sopravvivere hanno bisogno di una superficie relativamente estesa rispetto al proprio volume, questo è il principale fattore limitante delle dimensioni di una cellula. Tutte le cellule sono avvolte da una struttura simile in tutte: la membrana plasmatica. Le funzioni della membrana plasmatica sono: -barriera selettiva -mantenere la stabilità -avvengono importanti reazioni chimiche -registra e trasforma i segnali provenienti dall’ambiente extracellulare -regola interazioni tra cellule e tra cellule e matrice-extracellulare Esistono due tipi di cellule procarioti ed eucarioti. Coi procarioti identifichiamo i batteri i quali hanno struttura molto semplice in particolare è assente il nucleo come sono assenti tutti i sistemi di endomembrana ed esistono eubatteri e archeobatteri. Questi procarioti formano organismi unicellulari e spesso formano comunità chiamate “catenelle” o “grappoli” dalle dimensioni molto piccole, tipicamente di 10 micrometri, dal punto di vista evolutivo hanno avuto molto successo perché replicano molto velocemente e si adattano all’ambiente esterno. All’esterno della cellula si possono trovare flagelli, ciglia e pili. La maggior parte dei procarioti possiede una parete cellulare contenente peptidoglicano e alcuni hanno pure una membrana esterna aggiuntiva. Alcuni batteri formano una capsula mucosa di polisaccaridi. La cellula eucariota animale è più complessa e formata dalla presenza di strutture di membrana interna che vanno a delimitare gli organelli, hanno dimensioni maggiori delle cellule procariote. I compartimenti consentono alla cellula eucariota un successo evolutivo (organelli= specializzazione delle cellule) ciò compensa la capacità di adattarsi più lentamente. Per studiare un organello bisogna purificare l’organulo stesso tramite la tecnica di frazionamento cellulare, questa tecnica consiste nell’ omogeneizzare un tessuto, grazie a degli omogeneizzatori che aprono la cellula senza distruggere l’ organello interessato. Una volta frazionate le strutture si possono trovare: mitocondri, nucleo, nucleolo, reticolo endoplasmatico (ruvido o liscio), membrana plasmatica, apparato di Golgi, ribosomi, cetrioli, lisosomi e perossisomi. La cellula eucariota vegetale è caratterizzata principalmente da tre elementi non presenti in quella animale, una parete vegetale, i vacuoli e i cloroplasti responsabili della fotosintesi clorofilliana. La chimica della cellula Il 99% della massa di un essere vivente è composto solo da 6 elementi di quelli che compongono la tavola periodica tra cui ossigeno, carbonio, azoto, calcio, idrogeno e fosforo, il restante 1% è composto da zolfo, cloro, magnesio e potassio. Meno dello 0,1% è composto da altri elementi presenti in tracce che svolgono lo stesso funzioni importantissime. L’acqua è la molecola più importante all’interno di un organismo perché dal punto di vista chimico è un solvente ideale. L’ossigeno è un elemento elettronattrattore cioè che attira verso di sé elettroni, mentre l’idrogeno è l’elemento elettron donatore cioè tende a rilasciare elettroni, questo genera dei dipoli, con parziali cariche elettriche all’esterno delle molecole e queste parziali cariche elettriche sono in grado di formare interazioni deboli in particolare legami a idrogeno con molecole di natura simile, questi legami sono abbastanza forti per consentire all’acqua di essere presente allo stato liquido nella temperatura corporea compresa fra 0°-100°. In questo modo l’acqua rappresenta un solvente ideale alle condizioni di vita presenti sul suolo della terra. Il legame idrogeno riguarda non solo idrogeno e ossigeno, ma essi sono la base delle interazioni tra molte interazioni come interazioni tra proteine e interazioni fra basi di DNA. Il nostro corpo è formato da acqua per l’80%, il restante 20% è composto da macromolecole suddivise in carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. L’1% della massa di un essere umano può anche essere composto da molecole non classificabili né come acqua né come macromolecole. Le macromolecole sono i polimeri di molecole più piccole per esempio: le proteine sono polimeri di amminoacidi, i polisaccaridi sono polimeri di carboidrati, gli acidi nucleici sono La struttura primaria è la semplice sequenza lineare. La struttura secondaria è quella che assumono gli amminoacidi adiacenti in una stessa catena, questo tipo di struttura può essere di due tipi: -Alfa elica, determinata da legami idrogeno che si forma tra gruppi N-H con quelli C=O di un amminoacido vicino -Beta foglietto nel quale gli amminoacidi formano strutture planari che per effetto del legame idrogeno formano delle strutture piatte a foglietto. La struttura terziaria è quella che può assumere una proteina nello spazio. La forma di essa è determinata dall’insieme di più legami di struttura diversa, questi legami possono essere ponti disolfuro, ponti salini, legami idrogeno e interazioni idrofobiche. La struttura quaternaria è la struttura di proteine formate da più peptidi, uniti fra loro per svolgere una determinata funzione, per esempio l’emoglobina unisce a sé quattro peptidi diversi, due molecole di alfa emoglobina e due molecole di beta emoglobina. GLI ACIDI NUCLEICI Un nucleotide è una molecola nella quale si vedono tre componenti: -zucchero pentoso -base azotata -fosfato Una molecola senza la presenza del fosfato viene denominata nucleoside. A seconda del tipo di anello che forma le basi, le basi azotate si distinguono in due gruppi: -purine formate da due anelli e sono Guanina e Adenina -pirimidine formate da un solo anello e sono Citosina, Timina e Uracile I nucleotidi hanno principalmente varie funzioni, essi sono i costituenti degli acidi nucleici (DNA e RNA), li troviamo utilizzati nel ciclo energetico (ATP), li troviamo come cofattori (CoA), li troviamo come donatori di fosfato e molecole utilizzate nel così detto flusso di informazioni (molecole segnale come la cAMP). La molecola principale per lo scambio energetico è L’ATP e viene formata per fosforilazione dell’ADP, ogni volta che l’ATP viene consumata per ricavare energia, si riforma ADP, che ciclicamente formerà ATP nuovamente. Ogni tipo di acido nucleico possiede due purine e due pirimidine. Gli acidi nucleici sono le macromolecole depositarie dell’informazione genetica e ne esistono due tipi: -DNA che è un polimero di desossiribonucleotidi , nel DNA abbiamo come zucchero il desossiribosio, è composto da A, T, G, C -RNA che è un polimero di ribonucleotidi, nel RNA abbiamo come zucchero il ribosio, è composto da A, U, G, C I nucleotidi sono le subunità degli Acidi Nucleici, si uniscono fra loro tramite legami fosfodiesterici tra i C 5’ e 3’. La storia del DNA 1866-> Mendel scopre i principi base della genetica 1869->Miescher scopre la nucleolina (sostanza nel gruppo di cellule in contralisi) 1928-> Griffith descrive il principio trasformante (DNA si trasferisce da cellula madre a cellule figlie) 1944->Avery dimostra il principio trasformante 1949-> Chargaff dimostra che la composizione del DNA è specie-specifica, varia da una specie all’altra, le molecole di DNA isolate da tessuti diversi della stessa specie hanno la stessa composizione, la composizione in basi di una data specie non si modifica con l’età dell’organismo, con lo stato di nutrizione o in seguito a variazioni ambientali. In tutte le molecole di DNA il numero di A è uguale al numero di T ed il numero di G è uguale al numero di C, ciò implica che A+G=C+T 1952->Hershey e Chase provano definitivamente che il materiale genetico è costituito da DNA e non da proteine 1953->Watson e Crick scoprono la struttura a doppia elica del DNA. Dicono che il DNA è costituito da due eliche avvolte intorno allo stesso asse per formare un’elica destrorsa, ogni base è appaiata sullo stesso piano con una base dell’altra catena, l’Adenina è sempre legata alla Timina mediante due legami idrogeno, la Guanina è sempre legata alla Citosina mediante tre legami idrogeno e le due catene sono antiparallele e complementari. L’RNA È una delle prime molecole che si sono formate nel brodo primordiale essendo un unico filamento , è un acido nucleico formato da molti nucleotidi, al posto della Timina esso contiene Uracile ed è meno stabile del DNA, si possono distinguere tre tipi diversi e principali di RNA tra cui mRNA (messaggero), tRNA (trasferimento) e rRNA (ribosomiale). In alcuni casi l’RNA può possedere attività catalitica e in questo caso prende il nome di ribozima. Può formare legami a idrogeno sia col DNA (per esempio durante la trascrizione) che con RNA complementari ad esso. I singoli polimeri ribonucleici possono assumere anche strutture secondarie a doppia elica , con regioni di auto complementarietà, più è lungo un RNA più è alta la possibilità di formare strutture secondarie. IL DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA Il dogma centrale della biologia parla della legge universale della biologia che ci dice che l’informazione contenuta all’interno dei nostri geni diventa una proteina seguendo una via monodirezionale partendo dal DNA, continuando con un passaggio intermedio fatto di RNA, arrivando alle proteine. I tre processi che fanno parte di questo dogma sono: la duplicazione/replicazione del DNA, la trascrizione e infine la traduzione. Principalmente partiremo dal genotipo, quindi ciò che riguarda strettamente i nostri geni, arrivando al fenotipo, ovvero l’insieme dei nostri caratteri. Servono due molecole diverse (DNA e RNA) perché il DNA consente il trasferimento dell’informazione genetica da una cellula alle cellule figlie, quindi da una generazione alla successiva mentre l’RNA trasferisce, all’interno della cellula, l’informazione genetica all’apparato che la converte in proteine (molecole effettrici dei caratteri fenotipici). L’informazione genetica presente sul DNA viene utilizzata per dirigere la sintesi delle proteine e in una definizione semplice possiamo dire che il gene è una sequenza di DNA contenente l’informazione necessaria e sufficiente per la codifica di una proteina. L’insieme di tutti i geni presenti in una cellula definiscono quello che viene chiamato genoma, il genoma umano è diploide ovvero esistono due copie di DNA a doppia elica con sequenze nucleotidiche tra loro omologhe, omologhe NON vuol dire uguali. Molto di quello che noi sappiamo del nostro genoma lo dobbiamo al progetto genoma umano il quale alla fine degli anni novanta si pose l’obiettivo di sequenziare ogni singolo nucleotide presente all’interno dei nuclei delle nostre cellule, i due protagonisti di questo progetto furono Collins e Venter, i dati analizzati da questo progetto vennero pubblicati a inizio 2001. Noi sappiamo del nostro genoma che è grande 6,4 miliardi di paia di basi, il genoma ci caratterizza sia come specie, esseri che come individui. Avere 6,4 miliardi di paia di basi significa che se dovessimo scriverlo tutto su un libro di testo (utilizzando solo 4 lettere) uscirebbero 6.000 libri, parlando nel linguaggio digitale cioè quello dei bite, con 8 bit codifichiamo 4 basi, quindi per codificare l’intero genoma servono 1.5 Gigabytes. I risultati principali del progetto genoma umano: Questo fu il primo progetto grazie al quale fu possibile determinare una sequenza rappresentativa della specie umana , la vera sfida era quella di vedere quale differenze esistono tra le persone in maniera da poter determinare le basi della diversità tra le persone, dal punto di vista medico le basi di molte malattie trasmesse per via genetica. il sequenziamento del genoma di altri individui permise di stimare le differenze presenti tra individui diversi nella popolazione, ma le differenze individuali fra le persone sono nell’ordine di 4 milioni di paia di base, ovvero ognuno di noi è diverso dal proprio vicino per qualcosa che corrisponde a meno dello 0,1% del genoma umano. Questo progetto ha permesso di definire una sequenza standard di riferimento della specie umana e ha permesso anche di gettare le basi per lo sviluppo di tecniche di sequenziamento via via sempre più economiche, all’inizio del 2000 sequenziare il genoma di una persona costava circa 100 miliardi di dollari, dieci anni dopo quindi nel 2010 i costi sono crollati a 10mila dollari. Tutto questo serve per scoprire geni legati a malattie trasmissibili, consente di identificare geni che conferiscono suscettibilità o predisposizioni a tumori piuttosto che malattie cardiovascolari. Oggi esistono diversi progetti per sequenziale il maggior numero di genomi possibili così da poter identificare geni coinvolti in malattie rare o tumori, di recente è stato lanciato anche un progetto che ha come obiettivo di sequenziare il genoma d'Aosta di 5000 persone per poter tracciare una mappa genomica della popolazione valdostana in modo da poter studiare in dettaglio alcune malattie che possono essere relativamente frequenti presso la popolazione. L’obiettivo finale è quello di andare a definire le medicine personalizzate/medicina di precisione, che ci consente di adattare la caratteristica genetica della popolazione al trattamento. Dal punto di vista scientifico il genoma umano non è l’unico genoma, ma esistono tante altre specie delle quali abbiamo sequenziato il genoma tra cui ne è un esempio l’escherichia coli e altri elementi che costano poco e vengono facilmente coltivati in laboratorio. Di questi organismi va ricordato che molti processi fondamentali della biologia della cellula sono UNIVERSALI e conservati in tutte le specie e durante l’evoluzione, le conoscenze quindi di questi organismi possono essere traslate alle conoscenze della medicina umana. Sequenziare il genoma di batteri ci può permettere di costruire farmaci migliori e capire meglio la resistenza agli antibiotici. Col sequenziamento del genoma della flora batterica del cavo orale (formata appunto da batteri) ci è stato permesso di conoscere come si forma la placca batterica e sviluppare farmaci migliori per curare le placche. Noi pensiamo che la specie umana sia la specie più evoluta e più complessa presente su questo pianeta, la complessità sta nel fatto che noi ci aspettiamo che il nostro genoma sia più complesso (grande), ma in realtà se noi confrontiamo le dimensioni del nostro genoma con quello di un’ameba (che è un organismo unicellulare), scopriamo che un’ameba ha il genoma 100 volte più grande rispetto al nostro, anche il fagiolo ha un genoma più grande. Ciò vuol dire che ci deve essere qualcosa che ci fa capire che la complessità di un organismo non deve essere correlata alla dimensione del genoma. Andando a vedere cosa c’è in dettaglio all’interno del nostro genoma, possiamo osservare con sorpresa che la metà di esso è fatto di sequenze ripetute, cioè sequenze più o meno lunghe divise in diverse classi le quali non codificano proteine, che si sono duplicate numerose volte durante l’evoluzione. Molte di queste sequenze permettono di capire anche definito “guida”, questo filamento viene definito “lento”. La sintesi del filamento lento avviene in maniera discontinua e si allontana dalla direzione della forcella di replicazione, ciò vuol dire che la sintesi avviene in direzione 5’->3’, ma non può estendersi per lunghi tratti, quindi avviene per piccoli tratti in maniera discontinua, man mano che la forcella si allontana avremo la sintesi di tanti frammenti e così via. Questi frammenti dovranno poi essere uniti per creare un unico filamento interrotto di DNA, l’enzima responsabile di ciò e la ligasi e i vari frammenti che si formano prendono il nome di “frammenti di Okazaki”. Ciò che avviene nella bolla di replicazione è che per ogni forcella si ha un tratto sintetizzato in maniera discontinua e l’altro in maniera continua . Perché la sintesi è possibile? A monte di ogni singolo filamento non c’è nessun innesco dalla quale la DNA polimerasi possa partire; questo problema viene affrontato da una particolare famiglia di enzimi che è quello delle RNA polimerasi, enzimi in grado di polimerizzare RNA anziché DNA, i quali, a differenza delle DNA polimerasi, le RNA polimerasi sono in grado di sintetizzare acidi nucleici senza avere bisogno di un innesco. Le RNA polimerasi particolari che entrano in gioco nella sintesi sono le DNA primasi e sintetizzano una breve sequenza di RNA complementare al DNA, il quale può appaiarsi con esso e fungere da innesco per l’attacco di una DNA polimerasi, in breve la DNA primasi sintetizza un breve primer a RNA per poi far si che la DNA polimerasi possa riconoscere questo primer e avere il via. Mutazioni All’interno del nostro DNA possono avvenire mutazioni della sequenza nucleotidica, queste mutazioni possono essere di tipo indotto o spontanee. Le mutazioni indotte avvengono quando un organismo è esposto ad agenti fisici o chimici, noti come “mutageni” che interagiscono col DNA causando mutazioni. Quelle spontanee invece avvengono quando la DNA polimerasi compie spontaneamente l’errore, se queste mutazioni avvengono entro valori fisiologici, esiste un sistema di riparazione all’interno delle nostre cellule che riescono a riparare gli errori commessi. I danni a carico del DNA possono essere i seguenti: -Agenti extracellulari (radiazioni ionizzanti, raggi UV, fattori chimici ambientali quali piante, idrocarburi, chemioterapici) -Meccanismi endogeni (depurinazione, deaminazione, ossigeno radioattivo, errori nella replicazione del DNA, errori nella replicazione o nella ricombinazione) Un meccanismo endogeno può essere la depurinazione , circa 5000 adenine o guanine vengono perse ogni giorno in ciascuna cellula nucleata. La deaminazione invece consiste in un processo mediante il quale 100 citosine vengono perse per produrre uracile (togliendo un ammina dalla citosina si forma l’uracile). Detto ciò, in media ogni giorno si hanno 20,000 basi alterate in ciascuna cellula nucleata. La frequenza di mutazione può aumentare drammaticamente se le nostre cellule vanno a contatto con agenti extracellulari mutageni di tipo chimico, fisico o genetico. Gli agenti chimici sono innumerevoli e in genere vengono classificati sulla base del modo in cui introducono alterazioni nel DNA, infatti ci sono agenti alchilanti ( modificano le masse nucleotidiche direttamente), ci sono analoghi di base (delle molecole che in qualche modo assomigliano a nucleotidi e possono essere incorporati nel DNA) e ci sono sostanze le quali si vanno a intercalare nella doppia elica e interferiscono col meccanismo della replicazione. Molte di queste sostanze oltre che essere potenti mutageni sono anche potenti carcinogeni, i carcinogeni chimici reagiscono col DNA sia direttamente che indirettamente. I mutageni fisici sono la luce e le radiazioni sia a bassa che ad alta lunghezza d’onda. Siamo esposti nella vita quotidiana ai raggi UV, questi causano un fenomeno chiamato dimerizzazione delle pirimidine, cioè per effetto dell’energia dei raggi UV due timine rischiano di fondersi generando un dimero di timine, a livello della doppia elica causa problemi in fase di replicazione perché la DNA polimerasi trova una sorta di molecola ingombrante che non sa interpretare come timida ed interrompe la sintesi del DNA, così lasciandola incompleta introduce delle mutazioni. Nel nostro genoma abbiamo sistemi di riparazione riguardo a questi problemi (entro certi limiti di errori). Quando c’è un difetto nel sistema riparatorio del DNA si manifesta la malattia xeroderma pigmentosum una malattia autosomica recessiva che porta ad estrema sensibilità ai raggi UV e elevata incidenza di carcinomi e melanomi. La causa di questa malattia è l’incapacità di riparare i danni al DNA provocati dai raggi UV per l’inabilità nell’ adoperare a un taglio di un dimero di timina e provvedendo alla riparazione. Ci sono circa 130 geni direttamente coinvolti nel meccanismo di riparazione del DNA, la stessa DNA polimerasi è in grado di correggere i propri errori e poi esistono tanti altri meccanismi che impediscono alle cellule con mutazioni nocive di riprodursi attraverso processi di apoptosi (morte cellulare programmata). I due meccanismi più attivi nei mammiferi sono: -NER, riparazione per escissione di nucleotidi -BER, riparazione per escissione delle basi I NER intervengono quando un danno causato dai raggi ultravioletti porta alla dimerizzazione di timine. Solitamente avviene quando il danno comprende una regione limitata di danno. Si ha inizialmente l’intervento di una nucleasi che è in grado di tagliare il filamento di DNA a monte e a valle, successivamente interviene un’ elicasi la quale rimuove il frammento di DNA tagliato dalla nucleasi separando i due filamenti. A questo punto si crea un’interruzione la quale viene riparata dalla DNA polimerasi che estende il frammento di DNA mancante, infine interviene la ligasi la quale salda i due filamenti. I BER è un meccanismo che agisce rimuovendo prima la base danneggiata e successivamente riparando il buco che rimane. Questo interviene quando una citosina è stata deaminata ad uracile. Interviene inizialmente un enzima che rimuove la base (la glicosilasi), successivamente interviene una elicasi la quale rimuove il desossiribosio, dopodiché interviene una DNA polimerasi che riempie il buco riparando l’interruzione e la ligasi termina questo processo saldando i due filamenti. LA TRASCRIZIONE Le differenze morfologiche e funzionali delle cellule che compongono un individuo riflettono l’esecuzione di definiti programmi genetici che, essenzialmente, fanno si che certi geni siano espressi in un tipo cellulare e non in un altro. L’espressione di un gene avviene attraverso due processi: la trascrizione da DNA in RNA e la traduzione di questo in proteine. Su questi due processi intervengono altri molti meccanismi che in modo integrato garantiscono la regolazione dell’espressione genica. La trascrizione è letteralmente la sintesi di un RNA partendo da uno stampo fatto di DNA. Da un ugual numero di molecole di DNA dobbiamo arrivare a un numero diverso di molecole di RNA perché per avere tanti tipi diversi di proteine in un tessuto noi abbiamo bisogno di tante molecole di RNA. Per convertire da DNA a RNA occorre separare la molecola di DNA nei due filamenti, ma solo uno dei due filamenti serve da stampo per la trascrizione. Va ricordato che al posto della timina si appaia l’uracile con l’adenina. Il filamento di RNA che viene utilizzato come stampo prende il nome di filamento antisenso, il filamento che si genererà invece viene definito filamento senso. Dal punto di vista molecolare per la sintesi avremo un DNA stampo in direzione 5’->3’ e il filamento che si origina sarà anticomplementare, con polarità opposta. Dal punto di vista chimico ci sono molte analogie perché la sintesi procede aggiungendo un nucleotide alla volta (in questo caso vengono definiti ribonucleotidi). I tipi di DNA trascritti vengono chiamati mRNA, rRNA e tRNA, per ogni tipo di RNA esiste un tipo diverso di RNA polimerasi legato alla loro sintesi, ciò vuol dire che a differenza del DNA, nel quale è la stessa DNA polimerasi a sintetizzarlo tutto, l’RNA ha delle RNA polimerasi specializzate e sono: -RNA polimerasi 1-> rRNA -RNA polimerasi 2-> mRNA -RNA polimerasi 3-> tRNA Tutte le RNA iniziano la trascrizione da un sito definito “sito di inizio” e terminano la trascrizione nel “sito di stop/terminazione”. In genere a monte del sito di inizio esiste una sequenza di DNA avente funzioni regolative, queste sequenze sono generalmente chiamate promotori, per controllare e dirigere la trascrizione esistono altre sequenze definite enhancers e silencers. L’effettivo inizio di una trascrizione è determinato dal fatto che all’interno delle sequenze promotrici esistano delle sequenze riconosciute da proteine specifiche in grado di riconoscere queste sequenze, queste proteine prendono il nome di “fattori di trascrizione”. L’RNA polimerasi è un enzima molto complesso e molto grande, il quale possiede delle caratteristiche che mancano alla DNA polimerasi, per esempio l’RNA polimerasi svolge attività elicasica e non necessita di un innesco, questo vuol dire che una volta posizionata è in grado di iniziare la trascrizione senza bisogno di un primer. Dal punto di vista molecolare possiamo osservare che nella parte alta si trova un gene, a monte di questo gene esiste una sequenza consensus detta “TATA box” e viene riconosciuta dal fattore di trascrizione che attira la RNA polimerasi sul sito di inizio. Distalmente rispetto al promotore si possono trovare altre sequenze regolatore chiamate enhancer anch’esso possiede una sequenza consensus che viene riconosciuta da proteine specifiche, le quali interagiscono con l'enhancer stesso. Queste proteine in maniera indiretta interagiscono con i fattori di trascrizione, portando così il DNA del gene a piegarsi. Anche la forma che assume il DNA influisce sul come il gene viene trascritto, in particolare è in grado di attivare con alta efficienza la trascrizione di un gene, quindi una volta che la RNA polimerasi si lega al DNA, essa è in grado di procedere lungo la trascrizione, l’unico inconveniente che può incontrare sono i nucleosomi (DNA avvolto intorno agli istoni), il quale potrebbe rallentare o annullare l’attività dell’RNA polimerasi, ecco allora che a monte esistono degli istoni acetiliasi i quali hanno il compito di modificare chimicamente gli istoni così da farli staccare dal DNA, consentendo all’RNA polimerasi di muoversi lungo il gene da trascrivere. Un mRNA appena trascritto non è immediatamente pronto per essere tradotto nei geni eucariotici perché esiste una barriera fisica tra trascrizione e traduzione, rappresentata dall’involucro nucleare, la trascrizione avviene all’interno del nucleo mentre la traduzione avviene al suo esterno. Un mRNA prima di essere tradotto deve essere esportato fuori dal amminoacido specifico, solo metionina e triptofano vengono codificati da un solo codone, mentre in alcuni casi possiamo avere fino a 6 codoni diversi che codificano un solo amminoacido. Esiste una logica, creata dall’evoluzione, nell’attribuzione dei vari codoni. Dal punto di vista molecolare un tRNA è una piccola molecola di RNA che per effetto di sequenze complementari interne, piega la molecola facendole assumere una forma fatta di tre anse (a trifoglio). In una di queste anse è presente l’anticodone che serve per formare un’interazione con un mRNA, ad un’altra estremità di questo tRNA è presente un amminoacido che dipende dalla sequenza portata dall’anticodone. La cellula grazie agli enzimi assegna uno specifico amminoacido ad uno specifico codone, questi enzimi possiedono due tasche, in una alloggia il tRNA specifico e nell’altra un amminoacido specifico, grazie all’utilizzo di energia sotto forma di ATP si forma un legame covalente tra il gruppo OH 3’ dell’ tRNA e l’OH del gruppo carbossile presente sull’ amminoacido. Il macchinario che sintetizza in proteine fisicamente è il ribosoma che è una particella ribonucleoproteica, un complesso molto grande formato da proteine e RNA. I ribosomi vengono assemblati all’interno del nucleolo, una struttura presente all’interno del nucleo. Dal punto di vista strutturale un ribosoma è formato da tre nicchie A(amminoacido), P( peptido-tRNA) ed E(exit), questi tre siti sono importanti perché sono rilevanti per la traduzione delle proteine all’interno dei ribosomi. La sintesi delle proteine è una reazione di polimerizzazione mediante reazione di condensazione, nella quale gli amminoacidi vengono aggiunti uno alla volta per formare la catena polipeptidica. Gli amminoacidi arrivano sul sito di formazione di legame, sempre legati a dei tRNA, per formare il legame peptidico il ribosoma stacca il peptide dal tRNA e forma un legame peptidico con l’amminoacido arrivato per ultimo. La sintesi avviene in tre passaggi: -Inizio per iniziare la traduzione di una proteina dobbiamo avere la subunità piccola del ribosoma, al quale si trova già legato un tRNA portante la metionina, un secondo fattore importante è avere un mRNA pronto per essere tradotto. A questo punto la subunità piccola del ribosoma con la metionina si lega al 5’, l’AUG non si trova mai alla vera estremità del 5’, ma si trova sempre un pochino più interno all’RNA e questo vuol dire che quando la subunità piccola del ribosoma si lega al 5’ deve andarsi a cercare l’AUG mediante un meccanismo chiamato scansione lineare, che consente alla subunità piccola del ribosoma di scorrere finché non trova il proprio AUG. -allungamento abbiamo un peptide nascente legato a un tRNA, nel sito P, arriva un altro tRNA con l’amminoacido legato e si posiziona nel sito A, in questo modo il peptide nascente e l’amminoacido che deve essere aggiunto si trovano vicini tra di loro. Il ribosoma possiede attività enzimatica che gli permette di formare un legame peptidico fra il peptide in fase di allungamento e l’ultimo amminoacido arrivato. Questo lo fa trasferendo il peptide sull’ultimo amminoacil-tRNA, a questo punto la subunità maggiore del ribosoma slitta in avanti mediante la traslazione e così facendo l’ultimo tRNA si trova ad occupare il sito e il tRNA al quale si trovava legato il peptide precedente si trova nella nicchia E, exit così da potere uscire ( quindi un tRNA entra e l’altro esce per aggiungere un amminoacido alla volta alla catena peptidica nascente). La subunità minore a questo punto slitta in avanti per poter legarsi con la subunità maggiore consentendo al ciclo di procedere. -terminazione quando il ribosoma raggiunge un codone stop, non esistono tRNA recanti informazioni stop, quindi quando un ribosoma raggiunge un codone di terminazione non si va a legare un tRNA in questa posizione, ma esistono delle proteine chiamate fattori di rilascio, le quali per la loro forma mimano la struttura di un tRNA (ma non portano amminoacidi) e così facendo causano un ingombro, il ribosoma non può procedere e rilascia il peptide terminando la traduzione. Infine si disgrega in modo che le due subunità ribosomiali siano pronte per un nuovo ciclo. Un singolo RNA viene tradotto simultaneamente da più ribosomi, appena un ribosoma si lega al 5’ e inizia la scansione, lascia spazio immediatamente ad un secondo ribosoma, questo meccanismo rende molto più rapida la traduzione, perché così vengono prodotte simultaneamente tante proteine. La regolazione dell’espressione genica avviene a più livelli ed è sottoposta a determinati controlli. LEZIONE 6A- LA MEMBRANA PLASMATICA Tutti gli organelli sono circondati da membrane le quali hanno tutte una struttura simile. la membrana plasmatica svolge diverse funzioni: -delimita la cellula e racchiude il citoplasma; -regola il trasporto dei nutrienti all'interno della cellula -regola il trasporto di alcuni prodotti all'esterno della cellula -regola la stabilità chimico-fisica dell'ambiente intracellulare -è il sito di importanti reazioni chimiche che non possono avvenire in soluzione -registra e trasforma i segnali provenienti dall'ambiente extracellulare -negli organismi multicellulari, regola le interazioni tra cellule e tra cellula e matrice extracellulare tutte le membrane hanno struttura a doppio strato di fosfolipidi. i fosfolipidi sono molecole anfipatiche caratterizzate dalla presenza di due code di acidi grassi unite da molecola di glicerolo la quale prosegue con un fosfato e una testa polare caratterizzante. fosfolipidi due catene alifatiche che terminano con un gruppo carbossilico legato a molecola di glicerolo. il glicerolo molecola organica costituita da 3 atomi di carbonio legati a un gruppo oh. il legame che si forma tra acido e alcol forma legame estere. il terzo oh non è legato all'acido grasso ma a un fosfato. esistono più tipi di fosfolipidi i quali condividono una struttura simile che possiedono gruppi di natura polare diversa. ogni molecola porta almeno una carica positiva, queste cariche vanno a neutralizzare la carica negativa del fosfato. i fosfolipidi formano doppio strato le code all'interno del doppio strato e le teste vengono localizzate all'esterno, perché le membrane sono a contatto con l'ambiente acquoso. La struttura generale delle membrane è costituita da uno strato sottile di lipidi e proteine tenuti insieme da interazioni non covalenti; che si organizzano a formare un doppio strato chiamato "bilayer", le membrane non contengono solo lipidi ma contengono anche proteine perchè uno strato solamente lipidico risulterebbe totalmente impermeabile. Mentre sappiamo che molte funzioni necessitano la possibilità di scambio di sostanze tra il suo interno e l'esterno. una membrana composta generalmente dal 50% di lipidi quali fosfolipidi, colesterolo e glicolipidi e il restante 50% da proteine. le molecole del doppio strato formano una struttura planare, le quali per le dimensioni della cellula tenderebbero a incurvarsi spontaneamente fino a ripiegarsi in una struttura dalla forma sferica. si può produrre fosfolipidi in laboratorio e li si può estrarre dalle membrane. Quando lo si fa e le si mette in acqua è possibile osservare che i fosfolipidi formano una struttura sferica contenente acqua, chiamata LIPOSOMA. Il liposoma ha la caratteristica di potersi fondere con le membrane biologiche, viene sfruttata per la produzioni di farmaci e pomate, quando si vuole rilasciare qualche molecola all'interno di una cellula. Le code alifatiche degli acidi grassi possono essere fatti da idrocarburi saturi e insaturi. Idrocarburo saturo significa che tutte le possibilità di legame dei carboni vengono occupate da legami idrogeno, libertà di movimento permettendo di ruotare o flettersi. Se abbiamo doppi legami tra atomi di carbonio adiacenti, il legame riduce il movimento, impedendo alla catena di ruotare e muoversi liberamente, costringendola a piegarsi. Dal punto di vista strutturale queste caratteristiche determinano delle differenze. Se si considera un doppio strato fosfolipidico costituito da acidi grassi saturi, questi si disporrebbero in modo allineato e minimizzando le distanze, causando strutture molto compatte. Se invece abbiamo fosfolipidi con acidi grassi insaturi, le distorsioni della loro struttura tendono a mantenere le molecole distanti, riducono le forze di legame rendendo quindi le membrane più fluide. Una dimostrazione lo sono il burro che a temperatura ambiente è solido in quanto costituito da lipidi saturi e l'olio che a T ambiente è liquido costituito da lipidi fatti da acidi grassi insaturi. I lipidi all'interno possono ruotare attorno a se stessi o muoversi lungo la membrana, ma non possono passare da uno strato all'altro, mediante un meccanismo molto raro detto "flip-flop" perchè le teste dovrebbero entrare a contatto in un momento con le code idrofobiche, e dal punto di vista energetico è molto dispendioso. COLESTEROLO E MEMBRANE BIOLOGICHE Il colesterolo ha struttura differente dai fosfolipidi. Presenta una catena di carbonio costituita da 4 anelli, molto idrofobica e rigida. E' una molecola anfipatica data dal gruppo H. IL colesterolo si posiziona a livello delle membrane posizionando il corpo della molecola a contatto con le code e il gruppo OH con le teste idrofiliche. Il ruolo del colesterolo è quello di regolare la fluidità delle membrane in funzione della temperatura. A temperature alte, il colesterolo rende i doppi strati meno fluidi, mantenendo la stabilità della membrana, mentre a temperature basse rende i doppi strati meno rigidi impedendo alle catene idrocarburiche di unirsi e cristallizzare, siccome interrompe la monotonia dello strato. GLICOLIPIDI Sono molecole hanno una struttura simile a quella dei fosfolipidi (due catene alifatiche di acidi grassi unite da una molecola di 3 atomi di carbonio. Ciò che differenzia dai fosfolipidi è la presenza di carboidrati anziché fosfato e teste polari sul lato polare della molecola. I glicolipidi si trovano esclusivamente sul versante extracellulare della membrana plasmatica. Gangliosidi sono olisaccaridi complessi, contenenti acido salico, carica negativa, molto abbondanti sulle membrane plasmatiche delle cellule nervose. svolgono diverse funzioni quali protezione, riconoscimento cellulare e trasmissione di impulsi elettrici. le membrane cellulari si presentano come una struttura asimmetrica in quanto i due strati di fosfolipidi sono disposti in modo differente. abbiamo due tipi di fosfolipidi: -fosfatidilcolina e sfingomielina confinate allo strato esterno -fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina sono nello strato interno seconda caratteristica i glicolipidi si trovano solo sullo strato esterno. A seconda dell’utilizzo o meno di energia, sotto forma di ATP possiamo distinguere due tipi di trasporto: -passivo se non utilizza energia -attivo se utilizza energia Una differenza tra questi due meccanismi, è che per il trasporto passivo le molecole si spostano secondo un loro gradiente di concentrazione, mentre per il trasporto attivo la cellula deve spendere energia in modo tale da spingere le molecole contro un gradiente. L’energia serve per contrastare le energie dei gradienti di concentrazione che spingerebbero le molecole in senso opposto. DIFFUSIONE E’ un meccanismo di movimento semplice, caratterizzato dal fatto che molecole in un fluido si distribuiscono omogeneamente spinte dalla propria energia cinetica, fino a raggiungere un equilibrio. In questo meccanismo le particelle di soluzione si spostano casualmente fino a quando non vengono distribuite uniformemente. La diffusione è il movimento netto da regioni di maggiore concentrazione a regioni con minore concentrazione. La velocità di diffusione dipende da: -diametro delle molecole o degli ioni -temperatura della soluzione -gradiente di concentrazione Caratteristiche La diffusione funziona molto bene su brevi distanze Le proprietà delle membrane influenzano la diffusione dei soluti Una membrana è permeabile ai soluti che si muovono facilmente attraverso di essa, impermeabile a quelli che non possono Diffusione semplice: piccole molecole passano attraverso il doppio strato lipidico Le molecole idrosolubili, lievemente polari (ma non cariche) possono diffondersi attraverso la membrana. Le molecole elettricamente cariche e polari non possono passare facilmente OSMOSI: DIFFUSIONE D’ACQUA Dipende dalla concentrazione relativa delle molecole d'acqua ai due lati di una membrana semi-permeabile. Per quanto riguarda le soluzioni possiamo distinguere: -isotonica:quando la concentrazione dei soluti è uguale a quella di una soluzione di riferimento -ipertonica: quando la concentrazione di soluti è più alta -ipotonica: quando la concentrazione di soluti è più bassa Se due soluzioni sono separate da una membrana che consente all’acqua, ma non ai soluti (membrana semi-permeabile) di passare: l’acqua si diffonderà dalla regione di concentrazione dell’acqua più alta (concentrazione del soluto inferiore) alla regione di concentrazione dell’acqua più bassa (concentrazione del soluto più elevata). Le cellule animali possono esplodere se poste in soluzione ipotonica, mentre le cellule vegetali che hanno una membrana rigida ne impediranno il loro scoppio. TRASPORTO PASSIVO E’ un meccanismo è mediato da una o più proteine e l’energia utile deriva dal gradiente di concentrazione. Le proteine carrier trasportano molecole polari come il glucosio attraverso membrane in entrambe le direzioni. Il glucosio si lega alla proteina provocando il cambiamento di forma e rilasciando il glucosio dall’altra parte. Possiamo distinguere: -proteine trasportatrici ovvero proteine della membrana che legano alcune sostanze e ne velocizzano la diffusione attraverso il doppio strato; -proteine canale ovvero proteine della membrana integrali che formano un canale. Si tratta di proteine transmembrana che attraversano l’intero doppio strato fosfolipidico. La proteina trasportatrice interagisce direttamente con il ligando della molecole trasportata, mentre le proteine canale formano un vero e proprio canale attraverso il quale passano le molecole di dimensioni correlate a quelle del canale. L’esempio più comune è il trasporto del glucosio. Nel trasporto mediato da vettore, ovvero proteina trasportatrice, il tasso di diffusione è limitato dal numero di proteine trasportatrici presenti nella membrana cellulare. Quando tutti i supporti sono caricati con il soluto, il sistema di diffusione è saturo. Le cellule che hanno bisogno di molta energia (ad ed.cellule muscolari) hanno molti trasportatori. LEZIONE 7- COMPARTIMENTI-NUCLEO Come si sono originati i sistemi di organelli della cellula? Dal punto di vista evolutivo, si pensa si siano organizzati mediante invaginazioni della membrana plasmatica, Una tipica cellula procariota antica, presentava una membrana plasmatica, il materiale genetico si trovava nel citosol, ma il DNA era ancorato alla membrana plasmatica. Si pensa che parte della membrana abbia iniziato a ripiegarsi all'interno avvolgendo materiale genetico, e mediante estensioni della membrana si sono originate le altre strutture della cellula. Un’origine evolutiva un po’ diversa, spetta il mitocondrio si è originato con meccanismo di simbiosi tra una cellula procariotica ancestrale e una eucariotica primordiale. Gli organelli sono diversi ma in comunicazione tra di loro, scambiandosi materiale soprattutto proteine. Le proteine raggiungono la loro destinazione, grazie al fatto che nella loro sequenza primaria hanno degli amminoacidi che funzionano da codici a barre/etichette, che portano l’informazione della destinazione finale della proteina. NUCLEO E’ l'organello più grande che appare con una forma tondeggiante, nel quale si riconosce un perimetro spesso formato da due membrane, contenenti materiali di diverse densità, zone molto dense di elettroni sono quelle del nucleolo. Mentre il resto della matrice amorfa presenta diverse densità di elettroni ed è costituita da DNA e proteine, formando la cromatina. Presenta una struttura spessa con spessori variabili, in cui troviamo zone dove si addensano maggiormente gli elettroni. Distinguiamo due tipi di cromatina: l’ eucromatina presenta zone meno dense e più chiare; l’eterocromatina più zone dense e scure.Il materiale più scuro significa che il DNA è più compattato. L’ eucromatina, ha il DNA più rilassato, rappresenta zone in cui la trascrizione è attiva, mentre zone in cui è più compattato, significa che il DNA non è accessibile alla trascrizione. Il nucleo comprende contiene DNA organizzato in cromatina. Presenta un suo scheletro interno definito MATRICE NUCLEARE, contenente proteine fibrillari, che determinano il suo sostegno. All’interno del nucleo possiamo trovare inoltre, il nucleolo che è la sede della sintesi dei DNA-ribosomiali e l’assemblaggio dei ribosomi. Se studiamo la sua struttura tridimensionale, possiamo osservare che le due membrane si avvolgono attorno ad una cavità, il lume, che è in continuità con il lume del reticolo endoplasmatico. L’involucro risulta perforato da pori di grandi dimensioni perché attraverso di essi devono passare grandi materiali quali ad esempio i ribosomi. L’involucro inoltre, si sorregge da uno scheletro detto lamina nucleare, donando la forma al nucleo e fissando la cromatina all’involucro nucleare. Si conosce una malattia a livello delle lame nucleari. La lamina A è responsabile della malattia dei “bambini vecchi”, la PROGERIA. I bambini appaiono con l’aspetto di persone anziane, difetti a livello della lamina A causano problemi a livello delle divisioni cellulari. Le cellule si dividono con difficoltà cercando di vivere il più a lungo, ma ci sarà l'invecchiamento dei tessuti. Il polo nucleare appare come un foro contornato da proteine. Esso lavora come il diaframma di una macchina fotografica. In condizioni di riposo le proteine chiudono il poro e non permettono il passaggio delle proteine, quando devono passare ribosomi o RNAm vengono azionate dei tiranti/fibre che generano l’apertura di questo diaframma permettendo il passaggio di grandi molecole. Una cellula deve importare circa mezzo milione di proteine ribosomiali al minuto, mentre deve esportare circa 15 mila ribosomi assemblati al minuto. Il poro presenta un filtro permettendo il passaggio di piccole dimensioni, mentre quelle di grandi devono essere assistite. Le proteine per entrare nel nucleo devono avere una sequenza definita NLS (nuclear localization signal) costituita da una successione di 5 aminoacidi basici, ognuno di questi ha carica positiva. Esiste un esperimento per dimostrare l’esistenza di queste sequenze codice, avvenne negli anni ‘80 da Kalderson, Roberts, Richardson, Smith, i quali fecero un esperimento sui nuclei di cellule coltivate in laboratorio. Venne visualizzata una proteina antigene T, la quale, si pensava, contenesse le sequenze di localizzazione. Sintetizzata nel citosol e portata nel nucleo. cui il piruvato, una molecola C3. è convertito in un gruppo acetilico, l’acetil-CoA, una molecola C2, mentre si libera CO2. Si tratta di un’ossidazione, in cui gli atomi di idrogeno vengono rimossi dal piruvato e vanno a ridurre il NAD+ in NADH. Il ciclo di Krebs invece comporta l’ossidazione finale dei prodotti del glucosio. Ha inizio con due molecole di acetil CoA che entrano nella matrice mitocondriale. Ad ogni ciclo viene prodotta una molecola di ATP, quindi 2 molecole di ATP sono prodotte per ciascuna molecola di glucosio di partenza. Questo perché una molecola di glucosio produce due molecole di piruvato. E ogni singola molecola di piruvato viene convertita in una di Acetil- Coa. Queste reazioni, inoltre, producono NADH e FADH2, che liberano ossigeno. LEZIONE 9A- ER-GOLGI-TRAFFICO PROTEINE RETICOLO ENDOPLASMATICO il reticolo endoplasmatico ci appare come una struttura composta da più membrane, sono organizzate a delimitare gli spazi interni del lume. Il reticolo endoplasmatico presenta delle cisterne appiattite comunicanti tra di loro. Lo spazio interno che si crea, rappresenta un unico ambiente che è in continuità con le membrane del nucleo. Una parte del reticolo è costellata di strutture puntiformi scure nelle quali sembrano appoggiarsi sulla superficie esterna di tutte le membrane costituenti questo reticolo. Se ricostruiamo in modo tridimensionale vediamo come è costituito da un insieme di cisterne impilate l’una sull’altra e costellate di ribosomi appoggiati sulla superficie. un’altra parte è organizzata in strutture tubuliformi comunicanti tra di loro, a differenza di quello ruvido, appare liscia, ovvero priva di ribosomi. Se lisiamo una cellula, la omogeneizziamo e la osserviamo, la struttura del reticolo perde la sua struttura costituita da lamelle, in quanto viene distrutta dal processo di omogeneizzazione. Tuttavia, le membrane hanno la proprietà di richiudersi e riformare delle strutture tipo micelle. Al suo tempo le membrane hanno la capacità di legare a sé i ribosomi, vuol dire che ciò che incolla i ribosomi alle membrane, è qualcosa di così forte da resistere ad un processo meccanico come l'omogeneizzazione. Un’ altra caratteristica è osservabile dopo un’ analisi delle vescicole che si formano in seguito all’ omogeneizzazione; le membrane del reticolo liscio si mantengono distinte da quelle del reticolo ruvido. Ciò significa che c’è qualcosa che fa sì che anche dopo una distruzione meccanica, come l’omogeneizzazione, i ribosomi rimangono associati soltanto alle membrane che originariamente appartenevano al reticolo ruvido. Ciò che determina questo attacco così forte da parte dei ribosomi alle membrane questo qualcosa è associato al meccanismo della traduzione. le proteine destinate al reticolo endoplasmatico, possiedono una sequenza alla porzione ammino-terminale, ovvero all’inizio della proteina ricca di amminoacidi idrofobici (apolari). Questo è quello che avviene quando una proteina viene tradotta a livello di un ribosoma libero nel citosol, questa sequenza appena esce dal reticolo, ed essendo idrofobica tende a ripiegarsi su se stessa, tende a tornare indietro per minimizzare la sua esposizione all’ambiente acquoso. Questo fa sì che questa struttura venga riconosciuta dalla particella di riconoscimento del segnale (SRP), in grado di riconoscere questa sequenza amminoterminale ripiegata, riconosce che quella proteina sintetizzata su quel ribosoma è destinata al reticolo endoplasmatico. La lega e la apre, l’SRP si lega ad un recettore presente sulla superficie della membrana del reticolo, questo è ciò che consente a un ribosoma di ancorarsi alla membrana del reticolo endoplasmatico. Una proteina destinata al reticolo viene ancorata alla superficie del reticolo, in prossimità del recettore che sta ancorando il ribosoma, esiste un canale di traslocazione, che fa sì che questa proteine dopo essere stata sintetizzata passi per questo canale ed estrusa nel lume del reticolo. La sequenza segnale serve solo per determinare l’ingresso della proteina, dopo non è più importante per la funzione della proteina, per cui il peptide segnale verrà tagliato mediante enzimi quali proteasi o peptidasi, e di conseguenza il peptide segnale verrà degradato ed eliminato dal reticolo endoplasmatico. In questo modo la proteina potrà entrare nel lume del reticolo. Le proteine transmembrana, in genere sono caratterizzate da una sequenza segnale, ma anche da alfa eliche, che sono importanti per l’integrazione della proteina nella membrana, fanno si che che in fase di sintesi vadano ad integrarsi nella membrana. Funzioni Nel reticolo avvengono funzioni importanti: quali il ripiegamento delle proteine, mediata dalla formazione di ponti disolfuro, che si formano per stabilizzare le proteine in una determinata conformazione, associata ad un controllo di qualità, in modo tale da sapere se le proteine sono ripiegate correttamente. Altra funzione è la glicosilazione, modificazione a livello di alcune proteine. Infine l’ultima funzione è per le proteine complesse, si tratta dell’assemblaggio di un complesso multiproteico che avviene spesso nel reticolo endoplasmatico. FOLDING-RIPIEGAMENTO DELLE PROTEINE Le proteine nel momento in cui vengono ripiegate vengono sintetizzate come proteine lineari, questo perchè nel canale di traslocazione passa la proteina srotolata in filamento. Però la maggior parte delle proteine devono la loro funzione alla loro capacità di ripiegarsi secondo una struttura tridimensionale ben precisa. Tuttavia non è semplice, per questo all’interno del reticolo endoplasmatico sono presenti delle proteine che hanno il compito di aiutare le proteine neosintetizzate a ripiegarsi assumendo la conformazione più stabile. Queste proteine si chiamano Chaperone protein. Sono ossidoreduttasi le quali agendo a livello della formazione dei ponti disolfuro delle proteine neosintetizzate permettono di assumere la conformazione tridimensionale corretta. Le proteine neosintetizzate usciranno dal reticolo endoplasmatico e verranno dissociate mentre quelle Chaperone rimarranno all’interno della cellula. Questo è molto importante perché alcune proteine complesse e/o abbondanti, fino all’80% delle proteine sintetizzate non vengono ripiegate in modo corretto e dovranno essere distrutte. GLICOSILAZIONE E’ l’aggiunta di oligosaccaridi, quindi zuccheri, a determinati residui di una proteina. Esistono due tipi di glicosilazione: N-glicosilazione e O-glicosilazione (tratteremo solo la N- glicosilazione) GLicosilazione legata all’asparagina. Questo meccanismo consiste nell’aggiunta di un oligosaccaride ramificato a residui specifici di asparagina (non tutti i rami di asparagina vengono glicosilati, ma solo se in questa sequenza codificante della proteina l’asparagina si trova in contesto di sequenza consensus). Gli oligosaccaridi vengono sintetizzati come un’unica catena, che si lega ad un lipide presente sulla membrana del reticolo, che si chiama endolicolo. Abbiamo due reticoli, rugoso con funzione di sintesi delle proteine e liscio con funzione di produzione delle membrane. Il reticolo liscio, privo di ribosomi, ha la funzione associata alla produzione di tutte le membrane. Serve per produrre fosfolipidi di membrana, sintetizzati da un processo con diverse fasi nel quale le diverse componenti dei fosfolipidi sono assemblate in diverse fasi costituendo il fosfolipide finale. I fosfolipidi nascono come acidi grassi modificati con una molecola di CoA, e nascono dall’unione di questi acidi grassi e da derivato fosforilato del glicerolo. Gli acidi grassi si inseriscono nella membrane e due molecole di acidi grassi si legano ad una molecola di glicerolo fosfato formando acido fosfatidico. Poi un’ enzima specifico rimuove il fosfato rigenerando quindi un gruppo H e generando il diacilglicerolo al quale viene aggiunta la testa di fosfocolina, che arriva come CDP-colina, un nucleotide legato alla colina, la rottura di un fosfato genera energia utilizzata per catalizzare il legame tra il gruppo H del glicerolo e il fosfato della fosfocolina. TRAFFICO VESCICOLARE La maggior parte delle proteine del reticolo endoplasmatico raggiungono altre destinazione, il primo è l’apparato di Golgi, in seguito possono raggiungere altri siti quali ad esempio i lisosomi, la membrana plasmatica oppure l’esterno della cellula. CAMILLO GOLGI (PREMIO NOBEL 1906) Golgi deriva dal premio nobel di Camillo Golgi, un istologo, che vinse il premio per aver sviluppato delle tecniche di colorazione per individuare questo organello che prende il suo nome, apparato di Golgi. APPARATO DI GOLGI Nella cellula possiamo osservare una struttura tonda che corrisponde al nucleo, sotto di esso c'è un sistema di membrane che formano una cisterna appiattita, sembrano distanziate e separate le une dalle altre. Verso il basso c'è una membrana che è quella plasmatica, nel quale sono presenti vescicole, e al centro della parte bassa due di esse si stanno fondendo. L'apparato si presenta come un sistema di membrane che delimita delle cisterne impilate, appiattite e, a differenza di quelle del reticolo endoplasmatico, sono distinte. Si possono classificare le cisterne del Golgi. Partendo dal reticolo endoplasmatico, quindi dalla superficie del Golgi rivolta verso il reticolo endoplasmatico, riconosciamo una faccia definita CIS, spostandosi verso il lato esposto verso la membrana plasmatica, riconosciamo una faccia definita TRANS, esiste inoltre una zona intermedia chiamata zona mediale. Le cisterne sono contenitori di enzimi, i quali hanno la funzione di modificare i gruppi glucidici presenti nel reticolo endoplasmatico. Il meccanismo di glicosilazione avviene secondo uno schema uguale per tutte le proteine, ovvero gli zuccheri aggiunti sono uguali per tutte. Quando esse transitano verso le cisterne del Golgi, questi zuccheri vengono modificati in maniera sequenziale e specifica, dagli enzimi che si trovano nelle diverse cisterne, e che pertanto, non devono essere mescolati tra di loro , in quanto le modifiche che avvengono sui gruppi glucidici delle proteine avvengono secondo un ordine sequenziale. Le Un esempio è la malattia di Pompe, causata da mutazioni a livello del gene alfa-glicosidasi, che è responsabile della scissione del glicogeno in glucosio. Attacca principalmente il tessuto muscolare, cardiaco, scheletrico. Viene suddivisa in più gradi di gravità , in quanto differenti mutazioni causano un deficit diverso a livello dell’attività enzimatica. Gli enzimi mutati possono avere un’attività residua che può variare dal 2%, forma estremamente grave, ad un 40%, forma lieve, che può essere facilmente compensata con accorgimenti dietetici. Queste malattie si curano con terapie sostitutive, quali Enzyme Replacement Therapy (ERT), sono terapie che si basano sulla somministrazione venosa dell’enzima mancante. La viene prodotta in laboratorio e somministrata al paziente, questa circolando nei tessuti verrà catturata da parte delle cellule raggiungendo il lisosoma compensando l’attività deficitaria dell’enzima sostituito. Le vescicole si muovono dal Golgi verso l’esterno della membrana della cellula mediante un meccanismo simile a quello di trasporto delle vescicole dal reticolo endoplasmatico all’apparato di Golgi. La membrana curvandosi, genera un vescicola rivestita, la quale in seguito perderà il suo rivestimento. La vescicola verrà guidata verso l’organello successivo. Visto che l’attuale membrana è la stessa, la membrana della vescicola si fonderà con quella dell’organello successivo rilasciando il suo contenuto all’interno del lume. Questo avviene nel passaggio dal reticolo al Golgi, avviene da tutte le cisterne del Golgi. Infine le vescicole possono gemmare dal Golgi raggiungendo la membrana plasmatica mediante lo stesso schema di prima. Quindi in questo caso, il materiale contenuto nelle vescicole può essere rilasciato all’esterno della cellula. Esistono due tipi di secrezione, alcune proteine vengono secrete continuamente, siccome quelle prodotte vengono poi espulse fuori dalla cellula. Solitamente sono proteine abbondanti che hanno la funzione di costitutiva nel nostro organismo, quale l’albumina. Quest'ultima viene prodotta dagli epatociti, ovvero le cellule del fegato e rilasciata direttamente nel sangue. Altre proteine invece, vengono secrete mediante una via regolata, in cui viene attivato il rilascio, la fusione delle vescicole con la membrana plasmatica, soltanto in seguito a segnali. Un esempio è l’insulina, viene prodotta dalle cellule beta del pancreas, viene accumulata all’interno delle cellule, non viene rilasciata in modo continuo. La fusione delle vescicole con la membrana plasmatica viene attivata soltanto in seguito ad un segnale di tipo ormonale. TRASPORTO VESCICOLARE Il meccanismo che ha come obiettivo l’introduzione di materiale esterno all’interno della cellula è chiamato endocitosi. L'endocitosi prevede la formazione di vescicole in seguito alla curvatura della membrana. Le vescicole si fondono formando delle cellule chiamate endosomi, che vengono fatti fondere con il lisosoma per permettere la degradazione di tutto il materiale presente al loro interno. Si classificano tre tipi di endocitosi: -pinocitosi -fagocitosi -endocitosi mediata da recettore In genere il denominatore comune di questi meccanismi di internalizzazione di sostanze extracellulari è la formazione di vescicole più o meno voluminose, delimitate da membrana. PINOCITOSI La pinocitosi è il meccanismo in cui le sostanze disciolte in acqua (soluti) sono continuamente internalizzate dalle cellule. Consiste nella formazione di piccole inaginazioni della membrana plasmatica formando delle microvescicole contenenti i soluti che progressivamente vengono rilasciati nel citoplasma. Si chiama pinocitosi in quanto deriva dal greco pinos=bere. FAGOCITOSI La fagocitosi è un meccanismo nel quale la cellula porta al suo interno materiale di grandi dimensioni come complessi macromolecolari come anche microrganismi interi. E’ utilizzata dalle cellule del sistema immunitario per neutralizzare agenti potenzialmente patogeni come batteri. Nella fagocitosi,l’Intera cellula batterica viene portata all’interno e degradata dal lisosoma. E’ possibile vedere al microscopio questi meccanismi di fagocitosi come ad esempio dei neutrofili che stanno fagocitando delle cellule di streptococchi, oppure macrofagi che si stanno cibando di batteri come risposta del sistema immunitario alle infezioni. ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORE Meccanismo diverso dalle precedenti, nel senso che viene attivato soltanto in seguito alla risposta che segue l’interazione tra un ligando e un recettore che si trova sulla superficie della cellula. Dal punto di vista morfologico non è così differente rispetto agli altri meccanismi, nei quali vediamo chiaramente come l’endocitosi inizia con una curvatura della membrana verso l’interno,in modo sempre più ampio, fino a formare una vescicola rivestita da proteine, che si staccherà e verrà rilasciata dal citosol. Le caratteristiche prevede che l’attivazione di questo meccanismo avvenga in risposta all’interazione tra un recettore presente sulla membrana e un ligando, corrispondente alla molecole che deve essere internalizzata. Un esempio è quella dell’endocitosi del colesterolo, un lipide molto idrofobico e insolubile in acqua. Per questo non può circolare nel sangue come molecola libera ma deve essere complessata ad altre molecole avente la funzione di molecole di trasporto o molecole che hanno la funzione di formare complessi, in grado di tenere in soluzione il colesterolo. Questi complessi vengono chiamati LDL (low density lapoprotein) caratterizzati da strutture formate da lipoproteine che contengono al loro interno le molecole di colesterolo. Una proteina presente sulla superficie delle particelle LDL, funge da ligando che viene catturato da un recettore presente sulla superficie delle cellule. Questo ligando attiva la formazione di vescicole rivestite. Quando tanti recettori si legano tra di loro legano le proteine del rivestimento, le quali iniziano un meccanismo di curvatura della membrana fino a quando si forma la vescicola rivestita. Appena la vescicola rivestita viene rilasciata nel citosol, il rivestimento si scompone rilasciando la vescicola nuda nel citosol. queste vescicole si fondono tra di loro e raggiungono l’endosoma, che ha pH basso che causa la dissociazione tra la particella LDL e il recettore. Questo fa sì che, in seguito a dissociazione, il recettore può venire riciclato e rinviato alla membrana. In questo modo il recettore non finisce nel lisosoma e non viene degradato. Successivamente a questo, l’endosoma va a fondersi con un lisosoma, nel quale avviene l’attività digestiva, quindi l’attività di scomposizione ad opera degli enzimi lisosomiali, i quali in questo modo, rilasciano il colesterolo. MICHAEL BROWN E JOSEPH GOLDSTEIN-NOBEL PRIZE 1985 Ottennero il Premio Nobel per le loro scoperte concernenti la regolazione del metabolismo del colesterolo. LEZIONE 10-CITOSCHELETRO CITOSCHELETRO Il citoscheletro è composto da tre componenti distinte: -microfilamenti di actina, sono i più sottili aventi diametro di 7 nm -filamenti intermedi, hanno un diametro di circa 10 nm -microtubuli, sono i più spessi aventi diametro di circa 25 nm, differiscono dai due precedenti in quanto non hanno la struttura di una corda ma quella di un tubo. Funzioni -Rappresenta un supporto strutturale per la cellula -Rappresenta una “cornice” interna che mantiene la posizione degli organelli -Costituisce un “macchinario” necessario per il movimento del materiale e degli organelli -Rappresenta l’insieme di elementi che generano la forza per il movimento della cellula da una parte all’altra. MICROFILAMENTI Sono elementi più sottili del citoscheletro e sono costituiti principalmente da un unico tipo di proteine, l’actina. Visto al microscopio ottico di fluorescenza, si è notato che i microfilamenti attraversano la cellula lungo il suo asse longitudinale. I microfilamenti sono responsabili di diverse funzioni quali: -morfologia cellulare -motilità cellulare -contrazione muscolare -citochinesi Dal punto di vista molecolare, i microfilamenti sono costituiti da un unico tipo di proteina, che si chiama actina globulare, la quale nasce di forma sferica. Questa diventa una proteina filamentosa, in quanto l’actina è capace di polimerizzare, formando lunghe catene di actina, che sono filamenti che si intrecciano a due a due formando un’ elica. Sul filamento possiamo riconoscere un’estremità meno e un'estremità più. All’estremità più, avviene la polimerizzazione del filamento, quindi il filamento di actina si estende dall’estremità più. Mentre all’estremità meno avviene la depolimerizzazione del filamento, ovvero l’accorciamento del filamento. I filamenti si possono organizzare formando strutture più complesse, dando più robustezza alla cellula.Possono essere fatti da fasci paralleli di actina, uniti longitudinalmente tra di loro da una proteina chiamata fascina. Oppure, l’actina può organizzarsi per formare delle reti (network), formando dei cross-linker, dei legami crociati tra i vari filamenti di actina uniti da una proteina chiamata filamina. Funzioni dell’actina: 1-sono di tipo strutturale, forma ad esempio i microvilli intestinali 2-determina la morfologia della cellula Il citoscheletro è la parte responsabile della contrazione muscolare. in alcuni tessuti contrattili, il citoscheletro si organizza in modo particolare, tipicamente nei tessuti muscolari noi conosciamo tre tipi di tessuto (muscolo scheletrico, muscolo cardiaco, muscolatura liscia). Nel muscolo scheletrico e cardiaco, sono particolarmente evidenti delle striature che attraversano le varie fibre muscolari. Le striature, al microscopio, le vediamo come delle linee parallele di diversa intensità. Morfologicamente vengono divise in bande A e bande E. Dal punto di vista molecolare, queste bande sono fatte da alternanza di filamenti allungati di spessori diversi. Questi filamenti sono costituiti da due proteine, l’ actina e la miosina, la quale condivide questa struttura “a mazza da golf”, in cui c’è uno stelo e una testa globulare. La trazione muscolare è il risultato dello scorrimento dei filamenti sottili (di actina), sui filamenti più spessi di miosina. Questa struttura quando si contrae comporta un accorciamento della struttura. In condizione di riposo abbiamo la testa di miosina legata a un filamento di actina, arriva lo stimolo e l’ATP si lega con la miosina causando lo stacco della testa di miosina dai filamenti di actina, successivamente l’ATP viene idrolizzato, quindi viene staccato il fosfato da questa molecola e l’idrolisi del fosfato causa lo scivolamento in avanti della testa di miosina. Il successivo rilascio del fosfato fa sì che la testa di miosina si riattacchi alla testa di actina e infine il rilascio della molecola di ATP fa si che si generi forza motrice, così la testa di miosina scivola indietro tornando alla sua posizione iniziale. In questo modo i filamenti di actina scivolano sopra i filamenti di miosina. LEZIONE 11 - GIUNZIONI E MATRICE GIUNZIONI CELLULARI giunzioni strette giunzioni aderenti e desmosomi, hanno funzione meccanica. Le giunzioni aderenti microfilamenti di actina avvolgono tutta la cellula, in questo modo portano in contatto il citoscheletro di due cellule adiacenti. servono delle proteine transmembrana dal lato della cellula legano l'actina e dal lato extracellulare giunzioni gap o comunicanti, mette in comunicazione il citoplasma di cellule adiacenti le giunzioni aderenti utilizzano le caderine uniscono filamenti di actina, mentre i desmosomi hanno forma tonda, sono localizzati solo in alcuni punti, mettono in contatto filamenti intermedi. Le giunzioni si possono vedere molto bene al microscopio. Nelle giunzioni gap, passano molecole di piccole dimensioni ciò che pesa meno di 100 e di 1000 unità di massa atomica passa, oltre i 5000 non passano. La matrice extracellulare è un’intricata rete di macromolecole (proteine e carboidrati) che riempiono lo spazio extracellulare. Questa è molto abbondante nei tessuti connettivi, che formano l’impalcatura del corpo dei vertebrati. Svolge un ruolo regolativo su molte proprietà dei tessuti, influenzando la migrazione, la proliferazione, la forma e le funzioni metaboliche. la componente biologica è di proteine e carboidrati, legati a loro volta a proteine di due tipi proteine strutturali, collagene, danno struttura e resistenza proteine adesiva, sono collanti tengono insieme la matrice, per dare compattezza, la seconda componente è costituita da proteoglicani, le proteine glicosilate sono lunghi carboidrati. come l’acido ialuronico. I proteoglicani sono costituiti da diverse catene di glicosaminoglicani legati a una proteina centrale; i proteoglicani possono a loro volta attaccarsi a un enorme polisaccaride (acido ialuronico, trovato principalmente nei cosmetici) Il collagene è una parte della matrice extracellulare, serve a dare struttura alla pelle, ma dal punto di vista medico serve per dare compattezza ai tessuti. Si tratta di una proteina la quale per funzionare si associa a due molecole identiche, formando una triplice elica, la quale fuori dalla cellula si autoassembla formando le fibre di collagene. Si conoscono malattie genetiche a livello del collagene, ci sono diversi tipi di collagene perché sono molecole diverse che vanno a formare tessuti molto diversi. Quello che si trova nelle ossa, malattie genetiche a livello del collagene causando anche la mancanza totale di alcuni arti. La malattia che si trova nei cani ma anche nell'uomo, ha una pelle estremamente estensibile, un collagene a livello delle articolazioni, articolazione particolarmente insensibile che può essere un rischio per le lussazioni. L’ elastina fornisce elasticità ai tessuti, salvo poi ritornare alla propria conformazione. Un tessuto con molta elastina, sono i vasi sanguigni, essi quando ricevono sangue si estendono perché la forza del sangue li spinge in avanti. Perché le cellule si dividono? Esistono tre necessità: -riproduzione organismi unicellulari -le cellule si dividono quando l'essere umano deve crescere -le nostre cellule si dividono per rinnovare e riparare i tessuti CICLO CELLULARE E’ il tempo che una cellula trascorre tra una divisione e un altra. Possiamo riconoscere quattro diverse fasi : G1, S, G2, M (mitosi) L’interfase: la somma delle fasi g1 s e g2 Mitosi fase nel quale la cellula si sta dividendo Nel nostro corpo le cellule che si stanno dividendo ora sono poche perchè la maggior parte delle cellule sono in interfase, la maggior parte delle cellule sono differenziate quindi non si dividono più. Le cellule che si stanno dividendo sono quelle staminali adulte, e alcune cellule di alcuni tessuti che si usurano che vanno incontro a rinnovo frequente, come la pelle e lo stomaco. Per esempio nervose e muscolari non si dividono più. Il ciclo cellulare lo rappresentiamo come un cerchio, diviso in 4 fase, con durata diversa. lo stesso ciclo cellulare dipende da molti fattori. Le cellule embrionali si dividono ogni 20 minuti. Le cellule dell’adulto della pelle ogni 20-24 ore. Le cellule epatiche, le cellule del fegato adulto non si dividono però possono riprendere a dividersi se c’è necessità. L’unico organo interno capace di autorigenerarsi, nel trapianto di fegato si può trapiantare solo un pezzo perchè una volta impiantato un solo pezzo il resto può autorigenerarsi. cellule nervose e muscolari non si dividono mai altri fattori sono -dimensioni della cella -nutrienti disponibili -densità della cellula -età Se dividiamo il tempo di vita in 24 ore , il grosso del tempo è spesa dalla fase G1 mentre la mitosi dura qualche ora. Nella fase G1 la cellula produce Le fasi S e G2 e M, sono finalizzate alla divisione Quando la cellula passa da G1 a S ci sono segnali che indicano l’inizio di divisione, in fase S non può tornare indietro, perchè è già iniziata la duplicazione del DNA. Fase G1: Fase S. sintesi dna Fase G2: preparazione alla divisione Fase G0 in cui tutte le cellule che smettono di dividersi escono dal ciclo cellulare,tutte le cellule nella quale si trovano anche gli epatociti con l’eccezione che possono tornare nel ciclo Ciò che porta una cellula a dividersi sono segnali esterni, le cellule non sono in grado di decidere il momento in cui dividersi. I segnali sono proteine, fattori di crescita, come ad esempio PDGF, rilasciata da piastrine che stimolerà i fibroblasti a replicarsi per rimarginare la ferita Eritropoietina, è stata un primo farmaco usato come doping, molecola naturale prodotta dalle nostre cellule, che stimola la produzione di eritrociti. gli eritrociti si rinnovano abbastanza frequentemente (circa 120 giorni). usato perchè se aumentiamo il numero di globuli rossi, si aumenta la capacità del sangue di aumentare l'ossigeno, se uno esagera con l’eritropoietina, sangue più denso, che tenderà a coagulare o aggregare, più denso meno scorre bene. EPO è illegale I fattori di crescita si legano a recettori presenti su cellule bersaglio, questo legame scatena una differente conformazione della proteina, in seguito scatterà una via di segnalazione che porterà all’ attivazioni di alcuni geni che spingeranno la cellula a dividersi passando da fase G1 alla fase S. Quando parliamo di mitosi, ogni singola molecola di DNA prende il nome di cromatide, due cromatidi fratelli, identici, vengono uniti a formare un centromero, dopo di ciò accoppia le molecole identiche da poterle segregare in maniera ordinata. I cromatidi fratelli vengono uniti grazie al centromero. La mitosi è suddivisa in 4 fasi : PROFASE: è la condensazione dei cromosomi , in cui il nucleo è evidente ma non sono evidenti i cromosomi. Avviene la scomparsa dell’involucro nucleare e dei nucleoli, tuttavia avviene la formazione del fuso mitotico che consente la segregazione cromatidi in cellule