Biologia cellulare: membrana cellulare, bioenergetica, DNA, Mendel, mitosi e meiosi ecc., Sbobinature di Biologia

Scarica Biologia cellulare: membrana cellulare, bioenergetica, DNA, Mendel, mitosi e meiosi ecc. e più Sbobinature in PDF di Biologia solo su Docsity! INDICE: 1. Membrana cellulare 2. Genesi del potenziale di membrana 3. Scambi cellula-ambiente: trasporti cellulare 4. Acidi nucleici: DNA e RNA 5. Livelli di compattazione dna 6. Replicazione e riparazione DNA 7. Sintesi proteica I. Trascrizione II. Traduzione 8. Sintesi proteica - traduzione 9. Meccanismi di controllo del folding 10. Smistamento delle proteine 11. Traffico vescicolare e citoscheletro 12. Ciclo cellulare e mitosi 13. Meiosi 14. Mendel ed ereditarietà 1. MEMBRANA CELLULARE : crea contorno tra ambiente esterno e interno – struttura che delimita la cellula Funzioni: . barriera selettiva al passaggio delle molecole . ruolo nei processi di trasporto (regolano movimenti sostanze tra interno ed esterno o tra vari organelli) . ruolo nella segnalazione: contiene i recettori necessari per rilevare i segnali esterni . ricevere informazioni . ruolo nell'adesione cellulare Riveste tutti gli scompartimenti, consente il passaggio in maniera selettiva. Membrana plasmatica: circonda la cellula Ogni scompartimento ha la sua individualità e la propria specifica concentrazione chimicaIn tutte le membrane ha sede la reazione enzimatica. doppio strato lipidico proteine Struttura componenti lipidici: fosfolipifi (g. fosfato) colesterolo (struttura delle membrane) tra le code idrofobiche dei fosfolipidi glicolipidi (zuccheri) I lipidi di membrana sono molecole anfipatiche (apolari) : testa idrofila, cate idrofoba Piccola piega: legame cis (legame doppio: più corto) Spazi vuoti tra le code idrocarburiche e minori interazioni di Van der Waals. Interazioni non covalenti tra le code idrocarburiche: fore di dispersione di London (a corto raggio) ACIDO GRASSO INSATURO: doppi legami (an) ACIDO GRASSO SATURO: legami semplici (veg) →cambia la capacità di creare interasioni non- covalenti (deboli) Il doppio legame cambia la funzione e modifica la fluidità della mambrana. Inoltre è la struttura ideale per le membrane cellulari poichè presenta diverse caratteristiche: . Autoassemblaggio e riparazione: la natura anfipatica è fondamentale per la creazione di una cellula vivente. . Fluidità: cruciale per molte funzioni della membrana. Fluidità: deve essere regolata. Certi processi di trasporto e certe attività enzimatiche cessano quando la viscosità del doppio strato lipidico aumenta oltre un determinato valore soglia. → se avviene una trasformazione di fase del doppio strato lipidico la proteina non sarà più funzionale (inattivazione processi di trasporto). La fluidità dipende dalla tempertura e composizione deò doppio strato lipidico. I lieviti e i batterii mantengono la fluidità costante. Nei fosfolipidi la presenza di code idrocarburiche più lunghe aumenta la tendenza nelle catene a ompattarsi tra loro. (doppio legame e catene corte: poc interazione e compattamento). STRUTTURA DEL COLESTEROLO – regola la fluidità Coda idrocarburica non polare Struttura stereoidea rigida ad anello: inibisce le transizioni di fase e rende il doppio strato lipidico meno permeabile alle piccole molecole Gruppo di testa polare (regione idrofila): OH L'interazione della struttura rigida del colesterolo con la catena idrocarburica del fosfolipide determina una diminuzione di mobilità. I lipidi vengono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico liscio REL (citosol). Via biosintetica secretoria: partono dal REL e finiscono nell'apparato del Golgi. della soluzione dove sono più concentrate verso quelle dove lo sono di meno. → GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE. Finchè sarà raggiunta la condizione di omogenea distribuzione in tutto il volume della soluzione. Questo processo è sostenuto dall'agitazione termica; le particelle di soluto diffondono secondo un gradiente di concentrazione. Leggi della diffusione applicate all'acqua: processo detto OSMOSI. (movimento netto di molecole d'acqua) si muove secondo il suo gradiente di concentrazione seguendo la diffusione libera. Movimento acqua che passa da una zona a più concentrazione di solvente (IPO) a una a minor concentrazione (ISO). (minor concentraz. soluto ISO → maggior concentrazione di acqua IPO) In ambiente biologico le membrane sono selettivamente permeabili. . SOLUZIONE ISOTONICA: medesima concentrazione solvente/soluto (equilibrio idrico) . SOLUZIONE IPOTONICA: minor concentrazione soluto . SOLUZIONE IPERTONICA: minor concentrazione solvente Se la specie chimica in soluzione è uno ione, subentra la forza elettrica. → gradiente elettrico La diffusione di uno ione, a differenza di una specie non carica; dipende dal gradiente di potenziale elettrochimico (che è dato dalla somma algebrica del gradiente di potenziale chimico (di concentrazione) e del gradiente di potenziale elettrico). GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE: differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno della membrana. POTENZIALE DI EQUILIBRIO: La membrana è permeabile solo a K+. Non c'è un gradiente elettrico, per cui il K+ si sposterà dal compartimento A al B. I cationi K+ più concentrati nello scompartimento A diffonderanno da A a B spinti da un gradiente di concentrazione. Poichè K+ non sono seguiti da Cl-, il compartimento B inizierà a diventare più positivo, mentre A più negativo. → → Gradiente di concentrazione ← Gradiente elettrico ∟> si crea una differenza di potenziale: crea nella membrana un gradiente elettrico tale da frenare il passaggio degli ioni K verso B e respingerli verso A. 2 FLUSSI UNIDIREZIONALI DI K+: da A a B : gradiente di concentrazione →→ da B a A : gradiente elettrico ← La risultante dei 2 flussi è ancora a favore del gradiente di concentrazione →→ finchè la forza di concentrazione sarà uguale a quella elettrica : le forze si sono equilibrate (no flusso netto di cariche) → EQUILIBRIO ELETTROCHIMICO: forza elettrica uguale ed opposta alla forza del gradiente di concentrazione. Curiosità: EQUAZIONE DI NERNST : calcolo differenza di potenziale elettrico necessaria a generare il gradiente elettrochimico. 2. GENESI DEL POTENZIALE DI MEMBRANA NB: Differenza di potenziale: differenza di voltaggio tra due punti Potenziale di membrana: differenza di pot. elettrico ai due lati della membrana del doppio strato lipidico. Origina da un ineguale distribuzione degli ioni inirganici. La differenza di potenziale a cavallo della membrana plasmatica è generalmente negativa verso il citosol e positiva verso l'esterno. Potenziale di riposo: differenza di voltaggio della membrana quando è a riposo (non invia nè riceve segnali) -40 mV/-90mV - nelle cellule nervose: -65mV Potenziale graduato: variazione del potenziale di membrana, l'ampiezza è direttamente proporzionale all'intensità dello stimolo che lo genera. Sinaptico: prodotto nelle cellule post sinaptiche; Recettoriale: in risposta a uno stimolo che agisce su recettori sensoriali. Potenzaile d'azione: ampia e rapidissima variazione (del potenziale di membrana) prodotta dalla depolarizzazione della mambrana. Equilibrio elettrochimico: gradiente chimico = gradiente elettrico. IONE: molecolare o atomico L'accumulodegli ioni ai lati della membrana non è mai uguale. La differenza di potenziale a riposo oscilla tra -40mV a -90mV. All'interno della cellula esiste un perfetto euilibrio di cariche (ogni e- è bilanciato da una carica positiva). Deve essere assicurata l'elettroneutralità → si inserisce Cl- per bilanciare Na+ all'esterno, e Pr- per K+ all'internno. Na+ più concentrato all'esterno K+ più concentrato all'interno La membrana è attraversata da canali transmembrana: proteine integrali di membrana che attraversano il doppio strato lipidico). Quando un certo numero di ioni diversi si distribuisce ai lati di una membrana, e tutti gli ioni sono lontani dal proprio equilibrio elettrochimico, ciascuno ione tenderà a spostare il potenziale di membrana verso il valore del proprio potenziale di equilibrio. Più è permeabile la membrana per un certo ione, maggiore è la forza che lo stesso può esercitare nel portare il pot. di membrana verso il proprio pot. d'equilibrio. 1. Diversa permeabilità della membrna nei confronti del K e del Na. Inizialmente il K attraversa la membrana molto più velocemente del Na. (40 volte più permeabile). Il K tende ad uscire spinto dal suo gradiente di concentrazione. 2. Il K si muove più velocemente del Na (che entra). Si crea un disaccoppiamento di cariche a cavallo della membrana con conseguente creazione della differenza di potenziale elettrico. 3. A questo punto la forza elettrica che si genera inizia ad ostacolare la fuoriuscita di K e a favorire l'entrata di Na. Si genera un gradiente elettrico. 4. Il Na entra spinto da: gradiente elettrico e gradiente di concentrazione. Mentre il K esce spinto dal gradiente di concentrazione ma è ostacolato dal gradiente elettrico. (la forza del grad. di concentrazione è più forte del grad. Elettrico). RISULTATO: fuoriuscita di K diminuisce e accelera l'entrata del Na. ↓↓↓↓↓ Le due correnti ioniche saranno di uguale intensità ma si è generato un potenziale di membrana (che si stabilizza: no eq. chimico, si eq. Elettrico). Il potenziale di diffusione generato si mantiene finchè si mantengono i gradienti di concentrazione di Na e K. LA PERMEABILITà MAGGIORE DELLA MEMBRANA SERVE PER CREARE UN DISACCOPPIAMENTO DI CARICHE. Se è tutto in equilibrio la membrana si dice polarizzata. Se è più negativa si dice iperpolarizzata. (Da -90mV a -100mV) Se è meno negativa o positiva si dice depolarizzata. (Da -90mV a -70mV) Corrente in ingresso: ioni ++ entrano nella cellula → depolarizzazione Corrente in uscita: flusso cariche ++ in uscita → iperpolarizzazione 3. SCAMBI CELLULA – AMBIENTE: TRASPORTI ATTRAVERSO MEMBRANE Le molecole presenti nel liquido intra- extracellulare, a contatto con la membrana, sono spinte ad attrsversarla dai gradienti che le muovono MA il loro passaggio dipende dalla permeabilità che la membrana presenta nei loro riguardi. Più piccola e idrofobica è la molecola, più rapidamente diffonderà attraverso un doppio strato lipidico. 2 vie: diffusione libera (CO2, O2, N2) diffusione attraverso canali di membrana (proteine) (IONI, H2O) CANALI IONICI – caratteristiche: è una glicoproteina trans-membrana di diametro non superiore a 8A (transito acqua e ioni inorganici). La specie ionica diffone secondo gradiente elettrochimico (velocità elevata). Sono estremamente selettivi nei confront dei vari ioni. Gli ioni in soluzione sono circondati da molecole d'acqua (interazioni tra cariche). Per passare attraverso la membrana lo ione deve lasciare il bagaglio idrico. La selettività ionca dipende dal diametro, dalla forma. La carica discrimina cationi o anioni. La regione in cui avviene il riconoscimento è detto filtro di selettività. I canali ionici passano da uno stato aperto a uno chiuso ed eventualmente disattivato. ((NB: i canali permeabili dal K e responsabili della genenrazione del pot.di membrana sono canali a fuga di K e sono sempre aperti)). 1. chemio-dipendenti → regolato da un ligando (es: neurotrasmettitori) in grado di aprire il canale 2. voltaggio-dipendenti → sensibile alle modificazioni del potenziale di membrana membrana polarizzata: canale chiuso (forza repulsiva tra cariche) membrana depolarizzata: canale aperto (assenza forze repulsive) Al perdurare della depolarizzazione il canale è parzialmente aperto ma disattivato. CANALE VOLTAGGIO DIPENDENTE PER IL Na+: cinetica molto veloce; attivato da una depolarizzazione, si genera una corrente entrante. (più concentrato all'esterno) CANALE VOLTAGGIO DIPENDENTE PER IL K+: cinetica relativamente lenta; attivato da una eppolarizzazione, si genera una corrente uscente. (più cpncentrato all'interno) CANALE VOLTAGGIO DIPENDENTE PER Ca+: cinetica lenta; ativato da una deppolarizzazione, si genera una corrente entrante. I canali ionici ad apertura e chiusura controllata sono responsabili della generazione e propagazione dell'impulso nervoso. → I dendriti ricevono segnali dagli altri assoni; corpo cellulare; assoni che trasportano i segnali in uscita. Il compito dei neuroni è quello di trasportare, sotto forma di impulsi nervosi, le info che partono dal SNC (cervello e midollo spinale) e trasferire il segnale alle cellule effettrici. Tessuto nervoso: neuroni e cellule della nevroglia. Le cellule della nevroglia hanno il compito di sostenere e nutrire i neuroni → funzione di supporto. PARTE II Il passaggio attraverso la membrana di grosse molecole polari (amminoacidi, zuccheri, nucleotidi) è possibile grazie alla presenza di proteine di trasporto dette permeasi. I trasporti nella membrana cellulare possono essere: 1. Trasporti in forma libera : diffusione nella matrice fosfolipidica; migrazione in canali membranali → PASSIVI (tendono a raggiungere l'equilibrio diffusionale 2. Trasporti mediati: diffusione facilitata (passivo); trasporto attivo mediato; trasporto attivo secondario → ATTIVI (creano gradienti, allontanano ddall'equilibrio diffusionale) Una proteina di trasporto deve avere particolari requisiti: specificità, saturazione, competizione. TRASPORTO PASSIVO – DIFFUSIONE FACILITATA: il trasportatore affiora ai due lati della membrana e può oscillare tra due stati conformazionali in cui il sito di legame è accessibile da uno dei due lati della membrana. L'affinità di legame non cambia per cui la direzione di trasporto netto dipende solo dalla direzione del gradiente di concentrazione. Es. diffusione facilitata del glucosio e amminoacidi: l'insulina stimola il passaggio dei trasportatori di glucosio dalla membrana delle vescicole citoplasmatiche alla membrana esterna per trasportare il glucosio al sangue. La diffusione facilitata opera mediante un meccanismo UNIPORTO. (entra una molecola per volta) TRASPORTO ATTIVO: capacità di trasferire le particelle trasportate attraverso la membrana cellulare anche conro-gradiente. Per farlo deve spendere energia. Energia che deriva dall'idrolisi di ATP in ADP → trasporto attivo primario (contro gradiente di concentrazione)→ energia potenziale immagazzinata dai gradienti elettrochimici → trasporto attivo secondario Lavorano in sinergia: 1° produce gradienti; 2° trasporta il soluto secondo gradiente (grazie all'utilizzo di energia immagazzinata dal trasp.attivo primario; consente inoltre il passaggio di un'altra molecola contro gradiente). 1. PRIMARIO: trasferimento contro gradiente di ioni inorganici (Na+, K+, Ca++). Denoinato pompa ionica. Provviste di attività ATPasica (idrolizza ATP – ATPasi attivata con legame con ione da trasportare). Le pompe ioniche non presentano saturazione. L'attività della pompa cresce al crescere della concentrazione dello ione. Inoltre genera e mantiene il pot.di membrana e i trasporti attivi secondari facendo riattraversare in direzione opposta al trasporto attivo alcuni ioni. NB: pompa di scambio Na+/K+; pompa di scambio H+/K+; pompa del Ca++ POMPA DI SCAMBIO Na+/K+: carattere anti-porto, ATPasi Na+/K+ di tipo P (si fosforila da sola) Funzione: mantiene gradienti concentrazione K e Na. Elettrogenica (espellendo più Q+ di quante ne immette, alza il pot.di membrana) Effetto osmotico (fa uscire un numero di particelle osmoticamente attive maggiore di quante ne introduce – 3 Na+ vs 2 K+) POMPA Ca++: Ca++ capace di stimolare processi come . attivazione di molti enzimi . contrazione muscolare . esocitosi ed eendocitosi Quando questi processi non sono attivati, la pompa del Ca++ provvede a espulgere lo ione dalla cellula. È presente nella membrana plasmatica di tutte le cellule e nella membrana dei mitocondri e del RE. Es: important pomp del Ca++ opera nel reticol sarcoplasmatico elle cellule muscolari scheletriche. È un'ATPasi Ca-dipendente. La Ca++ ATPasi del muscolo pompa gli ioni calcio del citosol del RS e trasferisce 2 ioni Ca++ per ogni molecola di ATP (uniporto). POMPA DI SCAMBIO H+/K+: ATPasi H+/K+ dipendente L'efficienza di questa pompa ionica è tale da conferire al succo gastrico un valore di acidità di Ph elevato. 2. SECONDARIO: trasporti mediati accoppiati, consentono il trasferimento contro gradiente di molecole utilizzando come fonte di energia il passaggio transmembranale secondo- gradiente di uno ione che funge da motore per il trasportatore stesso. Alcuni di questi trasporti utilizzano come ione motore il Na+, che è spinto ad entrare dall'elevato gradiente elettrochimico ai 2 lati della membrna dalla pompa Na+/K+. → Trasporti Na dipendenti Altri ioni motori: K+, Cl-, HCO3. TRASPORTI Na-DIPENDENTI: 1. Il co-trasporto Na+/glucosio: cellule epiteliali coinvolte nell'assorimento di nutrienti dall'esterno 2. Il co-trasporto Na+/amminoacidi: diffuso nelle cellule dei tessuti animali. (membrana cellule ematiche) 3. Il contro-trasporto Na+/Ca++: parallelo alla pompa del Ca; contribiusce a mantenere bassa la concentrazione intracellulare di Ca++. 4. ACIDI NUCLEICI: DNA e RNA Tutte le cellule conservano la loro info ereditaria nello stesso "codice" chimico: DNA. Solo in alcuni virus il materiale genetico consiste in RNA. (AIDS e influenza) (1953 modello struttura DNA → Watson e Crick) DNA sempre associato a proteine: cromatina → diversi livelli di compattazione con le proteine (massima associazione: cromosoma) Sia il DNA che l'RNA sono polimeri composti da unità monomericge dette nucleotidi. NUCLEOTIDE: zucchero pentoso base azotata gruppo fosfato Una successione sufficientemente lunga di combinazioni di 4 nucleotidi è in grado di codificare un intero patrimonio genetico di una specie. RNA → zucchero ribosio (C2 : OH)- basi azotate: Pirimidine = uracile e citosina; Purine = adenina e guanina – un gruppo fosfato DNA → zucchero desossiribosio (C2 : H)– basi azotate : Pirimidine = timina e citosina; Purine = adenina e guanina – un gruppo fosfato NUCLEOSIDE: zucchero + base NUCLEOTIDE: zucchero + base + g.fosfato 4 subunità desossiribonucleotide del DNA: dGTP; dATP; dCTP; dTTP. Per formare il polimero di DNA o RNA, i nucleotid si uniscono in successione llineare tramite legame covalente tra g.fosfato in C5 e il C3 dello zucchero di un altro nucleotide. → legame fosfodiesterico (covalente; ad alta energia) La molecola di DNA consiste di due catene polinucleotidiche avvolte l'una all'altra. L'elica del DNA ha un andamento destrorso ed è una α elica ad andamento antiparallelo (un filamento in direzione 5'-3' e uno 3'-5'). la larghezza del DNA (2nm) rimane costante per via dei legami a idrogeno costanti tra le coppie di basi complementari: G≡C e A=T. → mantiene la struttura salda, inoltre è possibile denaturare e rompere i leg. a idrogeno (debole) Il passo dell'elica è 3,4nm: gli scheletri zucchero-fosfato non sono egualmente spaziati, formano un solco maggiore e uno minore. Le forze che intervengono nel mantenimento dell' α elica sono: legami a idrogeno; forze di natura idrofobica. Le cariche negative del fosfato invece tendono a destabilizzare la struttura (i due filamentitendono a respingersi) Ioni positivi intervengono a mantenere la stabilità: Na+; Ca++; Mg++; K+; protammine e istoni. 5. LIVELLI DI COMPATTAZIONE DNA Genoma: info genetica conservata del DNA di un organismo. Nel nucleo, il genoma umano è distribuito in 24 cromosomi (complesso di DNA e proteine) diversi. L'informazione genetica conservata nel DNA di un organismo sta nelle basi azotate. Nei batteri i geni si distrbuiscono su una singola molecola di DNA circolare. Ciacuna cellula umana (eccetto le germinali e globuli rossi) contiene due copie di ciascun cromosoma, una paterna e una materna. Una cellula umana contiene un totale di 46 cromosomi (cariotipo): 22 coppie di cromosomi omologhi (autosomi) e 2 cromosomi sessuali. X e Y : maschi; 2X : femmine. Nei cromosomi sono contenut i geni. GENE:segmento di DNA che contiene istruzioni per produrre una particolare proteina o un particolare RNA. GENOMA: solo l'1,5% codifica per proteine. Le molecole di DNA sono altamente condensate nei cromosomi. I cromosomi contengono i geni. I cromosomi si condensano seguendo il ciclo cellulare. Differenti regioni dei comosomi interfasici si condensano e decondensano quando sono sede di espressione genica, replicazione o riparazione del DNA. TELOMERO: cappuccio protettivo di info genetica. Regione condensata, terminale. Attua da orologio biologico: si accorcia con l'avanzare dell'età. Regione terminale del cromosoma composto da DNA altamente ripetuto (TTAGGG). *SPLICING = rimozione introni e formazione mRNA maturi. La trasrizione di sequenze di DNA Meccanismi di correzione mutazioni: 1. DNA polimerasi : ha maggiore afinità per il nucleotide corretto (ma a volte può legare anche i non corretti.) Il nucleotide non corretto viene legato covalentemente alla catena di DNA in crescita. Attività esonucleasica (taglia il nucleotide) e polimerasica (forma legame fosfodiesterico, 5'-3') 2. Nel caso in cui è aggiunto covalentemente un nucleotide non corretto. La DNA POLIMERASI si autocorregge ("correzione delle bozze"). Prima di aggiungere un nuovo nucleotide controlla quello preceente → se è corretto: aggiiunge il nucleotide successivo se è sbagliato: rimuove il nucleotide tagliando il legame e ripete l'operazione di sintesi. 2 siti catalitici: P – per reazione di polimerizzazione E – per reazione esonucleasica La crescita della catena di DNA avviene solo in direzione 5'-3' perchè permette di essere allungata quando un errore di polimerizzazione è stato rimosso dalla correzione esonucleasica. La DNA polimerasi non può iniziare una nuova catena di DNA senza un primer (su cui aggiungere nucleotidi) appaiato all'estremità 3'-OH. La DNA primasi usa ribonucleosidi trifosfati per sintetizzare brevi RNA primer (10 nucleotidi) sul filamento di neosintesi. Questo enzima può iniziare una nuova catena di DNA unendo insieme due nucleosidi trifosfato. PRIMER di innesco: sequenza di nucleotidi di RNA Ogni frammento di Okazaki ha bisogno di un primer → filamento discontinuo // Il filamento continuo ha solo un primer. 1. DNA elicasi: apre la doppia elica esponendo i singoli filamenti che fungeranno da stampo per la DNA polimerasi. 2. DNA topoisomerasi: insiee all'elicasi srotola il DNA davanti alla forcella replicativa e ne consente l'avanzamento. 3. L'enzima PRIMASI: sintetizza primer (innesco) di RNA complementare al DNA permettendo l'inizio dell'attività della DNA polimerasi. 4. DNA polimerasi: aggiunge un nucleotide alla volta all'estremità 3' del primer generando un nuovo filamento in direzione 5'-3'. Il primer di RNA viene eliminato e sostituito da DNA. 5. DNA ligasi: unisce i frammenti di DNA in un filamento unico. | Un sistema speciale di riparazione agisce rapidamente elimiando RNA primer e sostituendoli con DNA. | Una nucleasi (DNA polimerasi I – eucarioti) frammenta l'RNA primer. | La DNA polimerasi I riempie l'interruzione e una DNA ligasi unisce l'estremità 3' del nuovo frammento di | DNA all'estremità 5' del precedente. Le proteine SSB (lega il singolo filamento) stabilizzano il DNA a singolo filamento, facilitano il processo di polimerizzazione ed impediscono la formazione di brevi eliche a forcina. (sennò legami intracatena) Una pinza scorrevole tiene la DNA polimerasi sul DNA (tende a dissociarsi rapodamente) Un lato dell'anello si lega alla parte posteriore della DNA polimerasi e l'intero anello scorre lungo il DNA man mano che la polimerasi si muove. L'assemblaggio della pinza richiede idrolisi di ATP da parte del caricatore della pinza. (prende la pinza e la DNA polimerasi e li associa alla catena) Sistemi di correzione: sistema di riparazione delle basi male appaiate (mismatch) diretto dal filamento. Per corregere efficciemente gli errori di duplicazione viene tagliata la catena neoformata. (Rimuove errori di replicazione della polimerasi che non sono stati scoperti dall'esonucleasi di correzione). Man mano che la forcella si muove lungo il DNA a doppio filamento si crea il "problema dell'avvolgimento". Le DNA topoisomerasi impediscono di aggrovigliarsi durante la replicazione; sono enzimi che presentano sia attività nucleasica che ligasica. STRATEGIA DELLA DNA TOPOISOMERASI di Tipo I: le topoisomerasi rompono transitoriamente una sola delle catene di DNA, la ruotano attorno a quella integra e infine riuniscono le estremità interrotte (rilassamento della doppia elica). Nei procarioti le forcelle di replicazione si muovono alla velocità di 500 nucleotidi al secondo. Il genoma è replicato in circa 40 minuti. // Negli eucarioti la velocità è circa 50 nucleotidi al secondo. Le origini di replicazione sono attivate a gruppi (unità di replicazione – 20/80 origini), ciascuna delle quali entra in azione in uno specifico momento della fase S del ciclo cellulare. TELOMERO: regione terminale del cromosoma costituito da DNA altamente condenato (TTAGGG). - cappucci di protezione (protegge da una degradazione progressiva che porterebbe a una perdita di info genetica) Ad ogni divisione cellulare il telomero si accorcia : orologio biologico → dopo 20-30 divisioni, la cellula è troppo vecchia e muore per appoptosi : morte cellulare indotta da una fusone coda-coda con altri cromosomi. Anche fattori quali stress, malattie e depressione portano a accorciamento dei telomeri. ↓CAUSA↓ Risiede nel meccaniscmo di replicazione del filamento lagging del DNA. La rimozione del primer di RNA in corrispondenza dell'estremità 3' del filamento lento lascia non duplicats una regione di DNA. La telomerasi replica le estremità dei cromosomi e preserva il telomero dall'accorciamento. Telomerasi attiva – l'allungamento della telomerasi fornisce longevità alla cellula. La molecola di DNA è ideale per la riparazione perchè porta due copie separate di tutta l'info genetica. Così quando un filamento è danneggiato, il filamento complementare mantiene una copia intatta. 2 vie per la riparazione del DNA: riparazione per escissione delle basi : un nucleotide pr volta (base azotata); riparazione per escissione dei nucleotidi: lesione voluminosa; più nucleotidi. 7. SINTESI PROTEICA: TRASCRIZIONE - Da DNA a RNA ... E TRADUZIONE La trascrizione è il processo di trasferimento dell'info codificata delle basi del DNA in una molecola di RNA a singola elica. Le cellule producono molti tipi di RNA: _ RNA codificante (4%): mRNA _ RNA non-codificante (96%): rRNA; tRNA; snRNA (nucleari). tRNA: portare amminoacidi necessari alla sintesi proteica. RRNA: componente del ribosoma responsabile della polimerizzazione degli amminoacidi in una catena polipeptidica. La trascrizione produce RNA complementare al filamento di DNA. Come per la replicazione del DNA, la sequenza nucleotidica di RNA è determinata dall'accoppiamento complementare delle basi fra nucleotidi e lo stampo di DNA. L'aggiunta di un ribonucleotide all'estremità 3' (leg.fosfodiestere): reazione fondamentale. Enzima: RNA polimerasi. Reazione spinta da idrolisi di legami energetici. La catena di RNA prodotta dalla trascrizione è detto trascritto. REPLICAZIONE . Deossiribonicleotidi . Timina . Nuovo filamento DNA legato da leg.idrogeno al filamento stampo (doppia elica) . Molecola molto lunga (fino a 250 milioni di copie) . DNA polimerasi necessita di un primer . Errore ogni 10°7 nucleotidi – attività esonucleasica 3'- 5' TRASCRIZIONE . Ribonucleosidi . Uracile . Il nuovo filamento non rimane legato – filamento singolo . Molecole RNA molto brevi . RNA polimerasi non necessita di un primer . Errore ogni 10°4 nucleotidi – modesto meccanismo di correzione L'RNA-polimerasi batterica è un oloenzima costituito da 5 subunità: . 2 subunità α: mantengono compatto il sito catalitico . subunità β1: legame con DNA stampo . subunità β: costituice il sito catalitico . subunità ω: svolge la doppia elica di DNA (elicasi) Per iniziare la trascrizione l'enzima ha bisogno del legame con un'altra subunità: il fattore sigma σ. Nei procarioti un gene strutturale può essere suddiviso schematicamente in 3 regioni: Il fattore sigma è fondamentale per il riconoscimento della sequenza del promotore. Struttura del promotore nei PROCARIOTI: 1. Riconoscimento dello stampo : l'RNA polimerasi in assenza del fattore sigma si lega in modo non specifico al DNA con bassa affinità. Il fattore sigma del RNA polimerasi è indispensabile per il riconoscimento della sequenza del Promotore. (un promotre solo = un solo orientamento). 2. Inizio della trascrizione : contemporaneamente nella regione -10 si ha : 1. srotolamento del DNA; 2. polimerizzazione di alcuni nucleotidi; 3. inizio trascrizione nel punto +1 e allontanamento del fattore sigma. 3. Fase di elongazione della trascrizione : l'enzima allunga la nuova catena di RNA svolgendo il DNA che incontra e allontana l'RNA quando si riforma la doppia elica di DNA dopo il passaggio del RNA. 4. Fase di terminazione della trascrizione : riconoscimento del punto nel quale l'enzima cessa di aggiungere nucleotidi alla catena di RNA in crescita. 1. dissociazione dell'ibrido DNA – RNA 2. la bolla di trascrizione collassa Il ribosoma inizia la traduzione sul sito di CODONE D'INIZIO (AUG). E' necessario un tRNA speciale che riconosca il codone AUG. Negli eucarioti questo tRNA iniziatore porta sempre l'amminoacido metionina. \\ Nei procarioti porta la N-formil-metionina. Le tappe iniziali e di allungamento richiedono l'aiuto di proteine solubili: FATTORI DI INIZIO (IF) → l'idrolisi di GTP favorisce cambbiamenti conformazionali necessari a spingere il navanti il processo. Eucrioti: 1. tRNA caricato su sub. Minore con eIF eGTP 2. sub. Minore si lega all'estremità 5' di mRNA (riconosciuta bc cappuccio) 3. inizio traduzione al primo AUG su sub. minore 4. eIF si dissociano da sub. minore per assemblaggio della sub. maggiore 1) Il tRNA iniziatore che porta la metionina si trova legato al sito P. (peptidilico) Sito E: uscita tRNA per essere caricati (exit) Sito A: ingresso tRNA (amminoacidico) 2) Allungamento : tRNA localizzato nel sito P = ribosoma pronto ad accettare altro tRNA nel sito A. Prima che questo si leghi però, i tRNA devono associarsi ai EF legati al GTP. (fatt. Allungamento) → idrolisi GTP e rilascio EF consentono al tRNA carico di entrare nel sito A. -- 2 tappa allungamento: formazione leg. peptidico tra amminoacidi legati al tRNA. → (La reazione prevede il trasferimento di metionina del tRNA iniziatore all'amminoacido del tRNA legato al sito A. -- peptidil trasferasi: componente sub.maggiore). → Il ribosoma (prima la sub.minore poi la maggiore la segue) si muove di 3 nucleotidi lungo l'mRNA. → Peptidil tRNA al sito P → Sito A pronto per ricevere un altro amminoacido (la traslocazione è mediata da EF e idrolisi GTP) → Rilascio dal sito E del tRNA scarico e associazione nuovo amminoacil-tRNA. 3) Terminazione : quando la catena amminoacidica si è formata interviene un codone di STOP (3 dei 4 codoni possibili – UAG, UAA, UGA). → Blocca il processo e l'allungamento. Interviene una proteina mimetica di rilascio che entra al posto del mRNA e determiina il collasso. Una volta terminata la fase, il ribosoma si separa dall'mRNA e si dissocia nelle proprie subunità per iniziare un nuovo ciclo di trasuzione. Per accelerare la sintesi, un mRNA viene tradotto simultaneamente da più ribosomi → poli- ribosoma 9. MECCANISMI DI CONTROLLO DEL FOLDING Guidano le fasi finali della sintesi proteica. Una proteina inizia a ripiegarsi mentre viene ancora sintetizzata. * Ripiegata correttam. Ripiegata corettam. Forme completam. ripiegate senza aiuto. tramite chaperone digerite nel proteasoma. molecolare. Quando non si riesce a ripiegare una proteina → distruzione proteina mediante proteolisi (idrolisi leg.peptidico) Le proteine destinate alla proteolisi vengono marcate da un marker → legata poi da ubiqutina ligasi → proteina bersaglio con catena multiubliquitina. *Ripiegamento incompleto proteina: dannoso, espone residui amminoacidici. Se non si ripara deve essere digerita nel proteasoma. → può formare grossi aggregati provocando malattie come neurodegenerazione (es: Alzheimer). La mutazione è un processo secondo il quale si produce un cambiamento in una coppia di basi del DNA o nel cromosoma. Non tutte le mutazioni vengpno riparate. Interessano un singolo gene. MUTAZIONI PUNTIFORMI: alterazione singola coppia di basi nel DNA A) Sostituzione di base: coppia di basi rimpiazzata da un'altra coppia di basi; B) Inserzione: una o più coppie di basi inserite nella sequenza codificante; C) Delezione: una o più coppie di basi delete dalla sequenza codificante. Tipi di mutazione per sostituzione coppia di basi: 1) Mutazione per transizione: cambiamento coppia di basi purina-pirimidina con un'altra purina-pirimidina (AT-CG); 2) Mutazione per transversione: cambiamento coppia di basi purina-pirimidina con pirimidina- puruna (CG-GC). Le mutazioni causano dei cambiamenti nel relativo codone dell'mRNA che viene trascritto dal gene mutato. Cambiamenti: A SENSO: mutazione silente, il codone mutato codifica per lo stesso amminoacido → no vaziazione proteina; MISSENSO: il codone codifica per un amminoacido diverso → proteina no funzionale; NON SENSO: il codone mutato è un codone di stop → provoca arresto della traduzione e formazione peptide errato; NEUTRA: il codone codifica per un amminoacido diverso ma chimicamente equivalente all'originale → no alterazione funzione proteina. Mutazione per inserzione o delezione di una o più coppie di basi: FRAMESHIFT → slittamento del modulo di lettura che provoca l'inserimento nella proteina di amminoacidi sbagliati. (Se le basi inserite o delete sono 3 non viene modificata la fase di lettura e si avrà solo un amminoacido in più o uno in meno.) es : anemia falciforme : malattia causata da mutaz. puntiforme del gene che codifica per l'emoglobina → sostituzione adenosina con timina. 10. SMISTAMENTO DELLE PROTEINE Tutte le proteine iniziano con l'essere sintetizzate sui ribosomi nel CITOSOL (tranne quelle sintetizzate sui ribosomi dei mitocondri), per poi essere smistate nei vari organelli. Dopo un corretto folding, il destino delle proteine dipende dalla sequenza amminoacidica che può contenere segnali di smistamento. → citosol (nessun segnale) ; nucleo ; reticolo endoplasmatico ; mitocondri ; perossisomi Esistono due tipi di segnali di smistamento ed entrambi sono riconosciuti da recettori di smistamento complementari → guidano le proteine a destinazione. Ogni proteina ha una sequenza segnale. NUCLEO: sede traffico bidirezionale con il citosol. I complessi dei pori nucleari perforano l'involucro nucleare (sono composti da +50 proteine diverse: nucleoporine) Il complesso del poro nucleare funziona come un diaframma: molecole piccole sono libere di entrare (diffusione libera); molecole grandi entrano dall'apertura del diaframma (trasporto attivo). - Segnali di localizzazione nucleare NLS: dirigono le proteine nucleari nel nucleo (che mantengono una conformazione ripiegata). Per iniziare l'importazione nel nucleo i segnali di localizzazione nucleare devono essere riconosciuti da recettori di importazione nucleare. (proteine citosoliche). – interviene una proteina RAN-GTP che lega il complesso, dissocia la proteina, risale lungo il poro nucleare. Dopodichè avviene l'idrolisi del P (RAN-GTP → RSN-GDP )e il recycling del turnover. (l'esportazione dal nucleo avviene come l'importazione ma alla rovescia.) – Il trasporto tra nucleo e citosol può essere regolato: 1. Variando la velocità di importazione o di esportazione (o di entrambe) si può cambiare la localizzazione delle proteine. (Se v.importazione supera v.esportazione: proteina nel citosol); 2. I segnali di importazione o esportazione possono essere regolati perchè accesi o spenti o mascherati. (vengono mantenute fuori dalla cellula finchè sono necessarie) MITOCONDRIO: organello specializzato nella sintesi di ATP e sito principale di utilizzo dell'ossigeno. Membrana esterna: contiene una grossa proteina che forma canali (porina); permette il passaggio di piccole molecole. Membrana interna: ripiegata in numerose creste; contiene proteine con 3 diverse funzioni: 1. reazioni di ossidazione della catena di trasporto degli elettroni; 2. ATP-sintetasi (enzima) che fabbrica ATP nella matrice; 3. di trasporto specifiche che permettono entrata/uscita metaboliti nella matrice. Matrice : grosso spazio interno che contiene una concentrazione elevata di enzimi (metabolizzano il piruvato e acidi grassi e partecipano al Ciclo di Krebs). Contiene anche molte copie identiche di DNA mitocondriale, ribosomi mitocondriali speciali, tRNA e enzimi necessari all'espressione dei geni mitocondriali. TRANSITO PROTEINE CITOPLASMA-MITOCONDRI: le proteine importate nella matrice dei mitocondri sono sintetizzate nel citosol e poi traslocate nei mitocondri da un meccanismo post- traduzionale. (nuclei, mitocondri, perossisomi). I precursori delle proteine mitocondriali sono importate come catene polipeptidiche non ripiegate. → Le proteine neosintetizzate nel citosol vengono svolte per interazione con altre proteine.(proteine chaperone) RETICOLO ENDOPLASMATICO (RE): rete di membrane interne che si estendono nel citoplasma. Sequestra Ca++ dal citosol (mediante un Ca++-ATPasi). REL: sede della biosintesi dei lipidi e della detossificazione di farmaci o metaboliti dannosi. RER: sede della biosintesi di proteine destinate alla secrezione o che verranno incorporate nella membrana plasmatica, nel complesso del Golgi o dei lisosomi. TRANSITO PROTEINE CITOPPLASMA-RE: l'importazione di proteine nel RE inizia prima che la catena polipeptidica sia completamente sintetizzata. → processo co-traduzionale (≠ processo post-traduzionale: nuclei, mitocondri e perossisomi). Poichè un'estremità della proteina è di solito traslocata nel RE mentre il resto della catena polipeptidica viene sintetizzato, la proteina non è mai rilasciata nel citosol. → non c'è mai rischio di ripiegarsi prima di raggiungere il traslocatore nella membrana del RE e non sono necessarie proteine chaperone per mantenere la proteina non ripiegata (≠ post-traduzionale). --L'attacco della particella di riconoscimento del segnale (SRP) al peptide segnale provoca una pausa della traduzione. --Questa particella dirige le sequenze segnale dell'RE ad un recettore specifico nella membrana dell'RER. --Il ribosoma si colloca sul traslocatore e riprende la sintesi della catna che viene traslocata nel RE. La sequenza segnale N-terminale di una proteina ha 2 funzioni di segnalazione: 1) dirige la proteina alla membrana del ER massa cellulare, organelli citoplasmatici) e quindi dividendosi in due → ciclo cellulare. (divisione e duplicazione) La sua durata varia di cellula in cellula. 4 fasi: – M : mitosi – G1 : gap – S : sintesi – G2 : gap Durante le due fasi G la cellula controlla l'ambiente interno ed esterno per assicurarsi che esistano le condizioni ideali per i successivi eventi S e M. Il sistema di controllo può arrestare il ciclo in punti specifici di controllo. (L'ingreso da G0 a G1ed il passaggio da G1 a G2 richiede l'intervento di mitogeni e fattori di crescita, sennò la cellula rimane bloccata.) il sistema di controllo si basa su due famiglie di proteine: – proteina chinasi-ciclina-dipendente (Cdk) – cicline e agisce attivando e disattivando ciclicamente proteine e complessi proteici chiave che innescano o regolano la replicazione del DNA, la mitosi (divisione nucleare) e la citochinesi (divisione citoplasmatica). → idrolizzano ATP, fosforilano substrati. La Cdk per essere attiva necessita del legame con la ciclina, ma anche eventi di fosforilazione e defosforilazione. Il ciclo cellulare può essere bloccato da proteine inibitrici delle Cdk (CKI). FASE M: mitosi e citochinesi (1h) La Cdk di fase M dà il via alla fase M → ATTIVA → scatena una serie di fosforilazioni che iniziano la fase M. La replicazione del DNA e la duplicazione del centrosoma devono essere completati prima che inizi la fase M. NB: una cellula umana contiene un tot di 46 cromosomi (cariotipo): 22 coppie di cromosomi omologi + 2 sessuali (XY, XX). Quando i cromosomi sono duplicati in fase S, le due coppie di ciascun cromosoma replicato rimangono unite strettamente come cromatidi fratelli. → mantenuti uniti da proteine coesine (mentre le condensine condensano i cromosomi in fase M). Replcazione centrioli: i centrioli della coppia si separano; iaizia a crescere un secondo centriolo → ciascun centrosoma inizia a separarsi e a nucleare la propria schiera di microtubuli. MITOSI 6 stadi: – profase - prometafase -metafase - anafase - telofase -citochinesi Tarda interfase: – il citoplasma contiene 2 centrosomi – nel nucleo vngono duplicati i componenti cromosomici (i cromosomi non sono ancora riconoscibili poichè si trovano sottoforma di fibre diffuse di cromatina) Profase: cambiamenti nel nucleo e nel citoplasma – i cromosomi spiralizzano e decondensano → ognuno costituito da cromatidi fratelli; – i nucleoli scompaiono – comparsa fuso mitotico (formato da microtubuli) – allontanamento centrosomi, si dispongono ai lati opposti della cellula Prometafase: disgregazione e scomparsa dell'involucro nucleare – avvicinamento dei microtubuli ai cromosomi → si accorciano – altri microtubuli prendono contatto tra loro → si allungano – il fuso sposta i cromosomi verso il centro della cellula Metafase: fuso mitotico formato; cromosomi in punti equidistanti dai poli del fuso → ripristino diplodia Anafase: separasione cromatidi fratelli – ANAFASE A: accorciamento microtubili a contatto coi cromosomi e allungamento degli altri; – ANAFASE B: allungamento poli della cellula e cellula stessa. Telofase: inizia quando i due gruppi di cromosomi raggiungono i lati opposti della cellula. = profase, ma al contrario: – si riforma l'involucro nucleare – si despiralizzano i cromosomi – scompare il fuso mitotico → termine mitosi Citodieresi: formazione di un anello contrattile (costituito da actina e miosina) che dà origine a 2 cellule figlie. 13. MEIOSI Gli organismi unicellulari si riproducono in maniera asessuata per semplice divisione mitotica, generando così una progenie identica all'organismo parentale. La maggior parte degli animali e dei vegetali si riproducono mediante riproduzione sessuale. → i genpmi di due individui si mescolano producendo una progenie diversa geneticamente da un individuo all'altro e dai genitori. Generazioni aploidi di cellule (n - gameti) si alternano con generazioni diploidi di cellule (2n) Le cellule germinali vanno incontro a divisione nucleare detta MEIOSI in cui il corredo cromosomico viene diviso a metà. Questo processo è diviso in 2: Meiosi I → le due cellule figlie hanno un numero aploide di cromosomi ma una quantità diploide di DNA Meiosi II – Meiosi I: la profase è la fase più lunga e complessa (90% del processo). Appaiamento cromosomi omologhi → permette una ricombinazione genetica: crossing over (assortimento indipendente: un frammento di cromatide materno scambiato con il corrispondente cromatide paterno) → formazione cromatidi ricombinati. – Meiosi II: separazione dei cromatidi fratelli (=mitosi ma in cellula aploide) MITOSI ≠ MEIOSI → 4 cellule aploidi geneticamente diverse ↓ 2 cellule diploidi identiche NB: crossing over → permette una ricombinazione genetica e una corretta segregazione dei due omologhi duplicati. Si tratta di un assortimento indipendente degli omologhi paterni e materni che produce 2ⁿ gameti aploidi diversi. La meiosi non è infallibile → a volt gli omologhi non si separano correttamente: fenomeno di non disgiunzione. Alcune cellule prodotte mancano di un cromosoma mentre altre ne hanno più di una copia. Ala fecondazione il gamete anomalo si fonde con uno normale e l'embrione risulta così avere tre copie di un certo cromosoma invece di due. Es: trisomia 21 → soprannumero cromosoma 21. 14. MENDEL ED EREDITARIETà Studiò la pianta di piselli : ermaffrodita, autofecondazione. Mendel utilizzò anche il metodo della fecondazione incrociata. Scelse alcuni caratteri da studiare. Ottenne 7 linee pure per 7 caratteri (eliminare le variabili): colore e posizione del fiore, colore e forma del seme, colore e forma del baccello, lunghezza del fusto. Una linea pura è una popolazione che si comporta in modo costante per quel particolare carattere in studio. 1° studio: colore dei fiori → bianco (AA) x viola (aa) fecondazione INCROCIATA: F1: 100% fenotipo viola; AUTOFECONDAZIONE → F2: 75% fenotipo viola / 25% fenotipo bianco RAPPORTO FENOTIPICO 3:1 AA; Aa; Aa; aa Spiegazione: esistono dei determinanti ereditari (GENI) che governano i caratteri. Ogni pianta di pisello possiede 2 geni (una coppia) in ogni cellula per ogni carattere studiato. Quindi un gene si presenta in due varianti, detti ALLELI (es. Fiore bianco o viola.) → forniscono info in più rispetto al gene. Gli alleli si trovano allo stesso livello, mappando lo stesso locus genico. (no stesso livelli = no coppia allelica) I LEGGE DI MENDEL: legge della segregazione : Afferma che i caratteri ereditari di un organismo sono determinati da coppie di geni: i due geni di ogni coppia, che si presentano ciascuno in una delle varianti alleliche, si separano al momento della produzione dei gameti. → i due gameti si incontrano alla fecondazione e il fenotipo della pianta che si sviluppa dipende da quale allele riceve, ovvero dal suo genotipo. – l'allele A è dominante sull'allele a – gli individui con genotipo AA sono detti omozigoti – gli individui cn genotipo Aa sono detti eterozigoti – AA: genotipo dominante 2° studio: forma e colore del seme → rotondo e giallo (SSYY) x ruvido e verde (ssyy) (gameti: S Y ; s y) F1 AUTOFECONDAZIONE: 16 combinazioni (quadrato di Punnet): 9 giallo rotondo; 3 verde rotondo; 3 giallo rugoso; 1 verde rugoso II LEGGE DI MENDEL: legge dell'assortimento indipendente: durante la formazione di gameti, la segregazione di una coppia di alleli di un gene è indipendente dalla segregazione di alleli di un altro gene. 1) I geni associati non assortiscono indipendentemente. Infatti, l'assortimento indipendente non è applicabile se due loci sono situati non distanti sulla stessa coppia di cromosomi omologhi. 2) Gli alleli localizzati sulla stessa coppia di cromosomi omologhi tendono a essere ereditati insieme → LINKAGE (associati) I geni che occupano loci distanti su un cromosoma hanno maggior possibilità di essere separati dal crossing over rispetto a quelli nei loci vicini. CROMOSOMI SESSUALI UMANI Se i geni sono collocati sulla porzione specifica del cromosoma X, allora vengono ereditati secondo