Fondamenti della trascrizione del DNA e della replicazione del DNA - Prof. Ghiorzo, Schemi e mappe concettuali di Biologia

Scarica Fondamenti della trascrizione del DNA e della replicazione del DNA - Prof. Ghiorzo e più Schemi e mappe concettuali in PDF di Biologia solo su Docsity! BIOLOGIA PRIMA PARTE – SINTESI DEL DNA E DELLE PROTEINE DNA – struttura a polimero di 4 nucleotidi. Immagazzina l’informazione nel genotipo, per poi codificarla nel fenotipo. Nucleotide, subunità/monomeri degli acidi nucleici Il nucleotide contiene 3 elementi 1. Zucchero pentoso , ribosio o 2-deossiribosio cui gruppo ossidrilico del C5’ è legato al gruppo ossidrilico del C3’ successivo attraverso un legame fosfodiestereo. a. Il C5 rimane fuori dall’anello, e lega l’acido fosforico, ponte con il C3 del successivo b. Il C1 lega una delle basi azotate c. Il C2 contiene ossidrile o idrogeno 2. Un gruppo Fosfato/acido fosforico H 3PO4 3. Basi Azotate eterocicliche legate tra loro con ponti idrogeno, legami deboli a. Purine 2 anelli: Adenina / Guanina b. Pirimidine 1 anello: Uracile (RNA) / Tiamina (DNA) / Citosina 1 + 2 sono lo scheletro, mentre 3 sono i pioli della scala. Esistono 4 tipi di nucleoditi monofosfato:  Adenina monofosfato (AMP)  Timina monofosfato (TMP)  Guanina monofosfato (GMP)  Citosina monofosfato (CMP) La ripetizione di legami:  Acido fosforico TESTA 5’  C5 (il 5’ che rimane fuori dall’anello e sporge)  C3 (il 3’)  Acido fosforico  C5 (il 5’ che rimane fuori dall’anello e sporge)  C3 (il 3’)  Acido fosforico  C5 (il 5’ che rimane fuori dall’anello e sporge)  C3 (il 3’) CODA 3’ Primo nucleotide La testa, porzione chiamata anche 5’, avrà l’acido fosforico non legato a nessun C3 cranialmente, e caudalmente avrà legato il C5 del primo ribosio. Ultimo nucleotide La coda, porzione chiamata 3’, ha solo lo zucchero con il C3 libero. E’ come se i due filamenti giacessero orientati con la testa di uno in corrispondenza della coda dell’altro. Altre info:  L’alfa elica ha un diametro di 20 A° (1A°=10 –8 cm/ 1 nm=10 A°).  Lungo l’elica ci sono 10 paia di basi ogni 34 A°; - passo del DNA  tra due paia di basi (2 scalini) ci sono 3,4 A°. Le basi non sono perfettamente perpendicolari all’asse dell’alfa elica, l’elica è quindi destrorsa. L’alfa elica all’esterno presenta un alternarsi di un solco maggiore (punto di accessibilità per le proteine verso le basi) ed un solco minore o Flamento lagging/tardivo/lento percorso con interruzioni, polimerizzazione discontinua con vari frammenti primer e con direzione contraria a quella della forcella, con formazione di frammenti di Okazaki, successivamente ripuliti dai vari primer dal DNA Polimerasi I e uniti tra loro da DNA Ligasi. <- o Funzione esonucleasica del DNA-polimerasi I, per correggere eventuali errori. L’attuale modello proposto: giustifica la reale modalità di replicazione, si ipotizza che nella realtà ci sia un’unica DNA Polimerasi III che però agisce contemporaneamente con due bracci, ossia l’enzima è diviso in due subunità. Entrambe si muovo in direzione 5’-3’ però non vanno in direzioni opposte, perché è il DNA che si piega su ste stesso, in modo da coordinare il lavoro, ritardando però il filamento lagging. 5. Alla fine del processo la DNA Telomerasi , speciali tipi di Polimerasi “evolute per preservare il DNA”, ovvieranno al problema dell’accorciamento del neofilamento rispetto al filamento madre, perché ripuliti dai primer. Il cromosoma finisce e quindi non ci sono altri inneschi colmare le gap. Le telomerasi si possono legare al neofilamento perché al loro interno contengono RNA, con sequenze complementari alle ripetizioni telomeriche del filamento sporgente. Appaiandosi al telomero sporgente esegue una retrotrascrizione, allungando il filamento master, che è di fatto già più lungo. Aggiunge all’estremità del master dei blocchi di sequenze telomeriche, che non contengono geni ma sono sequenze ripetute ricche di G e T, tipiche della specie. I’RNA della telomerasi è poi utilizzata come primer in modo che la DNA Polimerasi possa attaccarsi al filamento corto e colmare il vuoto, con sequenze complementari C e A. L’attività delle telomerasi si perde con l’invecchiamento, cosi come l’integrità e la lunghezza dei telomeri. Le telomerasi sono molto attive sia nelle staminali che nelle embrionali, ma anche nelle tumorali. Le telomerasi sono l’eccezione al dogma della biologia, insieme ai retrovirus, perché da RNA sintetizzano DNA. Allungamento del filamento La DNA polimerasi catalizza l’aggiunta di nucleotidi all’estremità 3’ di una catena di DNA in allungamento, formando legami fosfodiestere tra l’OH legato al C3’ dell’ultimo nucleotide già unito alla catena in allungamento e il gruppo fosfato legato al C5’ del nucleotide aggiuntivo I nucleotidi entrano inizialmente come nucleotidi trifosfati ricchi di energia, apportando in questo modo l’energia necessaria per la polimerizzazione. Infatti l’idrolisi di un legame fosfoanidride nel nucleoside trifosfato, con liberazione del pirofosfato Ppi, rende disponibile l’energia e la DNA polimerasi vi accoppia la condensazione, legando il monomero nucleotidico alla catena in crescita. Il pirofosfato viene idrolizzato ulteriormente a fosfato inorganico Pi, il che rende la reazione del tutto irreversibile. Quindi il nucleotide arriva come TRIfosfato – apporta energia la rottura dei legami ad alto contenuto energético con l’idrolisi di ATP – rimane legato alla catena come monofosfato. Procarioti vs Eucarioti  Procarioti: non hanno nucleo, DNA circolare, DNA Polimerasi III, 1 sola bolla di replicazione, 1 origine e 2 forcelle con replicazione bidirezionale  Eucarioti: nucleo, DNA lineare, DNA Polimerasi Alfa e Delta, molte bolle di replicazione, tante origini, ciascuna con due forcelle con replicazione bidirezionale. Tutte le DNA polimerasi hanno 2 proprietà fondamentali: 1. Sintetizzano DNA soltanto in direzione 5’-3’, aggiungendo dNTP al gruppo 3’OH libero di una catena in crescita 2. Necessitano di un primer e non sono in grado di iniziare una nuova catena utilizzando solamente il filamento stampo Trascrizione dei Procarioti  Avviene del citoplasma, la trascrizione è contemporanea alla traduzione.  Esiste solo un tipo di RNA Polimerasi composta da: o un core, parte attiva di trascrizione, costituito da subunità: 2 alfa, 1beta, 1beta primo, o una parte addizionale chiamata sigma , che è importantissima perché dirige il core nel punto preciso di inizio!  A monte 5’ della zona da trascrivere esiste una regione di DNA chiamata promotore di regolazione per il preciso e corretto attacco del RNA Pol. Chi esplora le sequenze è la subunità sigma, che si lega al core prima della trascrizione e esplora il DNA in cerca di sequenze che riconosce ( es. -35 e -10). Legando a queste sequenze, sigma induce il DNA ad aprirsi e posiziona il core dell’RNA Pol in maniera corretta per l’inizio della trascrizione (+1 nt). Attenzione che il promotore non viene trascritto!!!!  Per convenzione la regione promotore si numera con numeri negativi, perché è a monte. Nei pricarioti solitamente il promotore presentano due sequenze, a -35nt e a -10nt del gene, quest’ultima chiamata Pribnow Box. Sono sequenze uguali e conservate nella regione promotore di tutti i geni che devono essere trascritti.  Iniziata la trascrizione sigma viene rilasciato, libero di legarsi ad altri RNA e la polimerazzione continua in direzione 5’ -3’.  Al termine del gene ci sarà invece la sequenza terminatore, che è palindromica: sono sequenze complementari invertite, intervallate da un tratto centrale variabile. Es. –GCCCGCACCGGGCGGGC  Queste sequenze, che al contrario dei promotori vengono trascritte, tendono ad appaiarsi tra loro, formando una struttura a stelo, un’ansa, che permette il distacco del RNA appena trascritto dalla polimerasi e dal DNA. In alcuni casi, quando lo stelo non è sufficientemente “forte” interviene la proteina Rho che favorisce avvolgendo il terminale del RNA ne favorisce il distacco I procarioti hanno degli mRNA policistronici, ossia da un unico promotore viene generato un segnale di avvio di trascrizione per diversi geni, che vengono trascritti tutti insieme e tutti di seguito, di solito codificano proteine coinvolte nella stessa via metabolica. Es. Operone Lac in cui tutti i geni per il lattosio sono trascritti insieme e sono trascritti da un unico promotore. Eucarioti  I geni sono monocistronici: ossia ciascun gene ha il suo promotore.  Il DNA è complessato con gli istoni che devono esser allontanati.  Trascrizione e traduzione non avvengono contemporaneamente.  La trascrizione avviene nel nucleo.  Abbiamo diverse RNA Polimerasi: o RNA Polimerasi I trascrive per RNA ribosomiali, il precursore 45S da cui vengono poi ritagliati i 28S, 18S, 5.8S, tranne i 5 S, e lavora nel nucleolo dove son contenuti i geni codificanti per gli rRNA.  VEDI ANCHE RIBOSOMI o RNA Polimerasi II trascrive per mRNA, lavora nel nucleo, trascrive RNA primari eterogenei hnRNA che successivamente matureranno in mRNA funzionali e gli snRNA o RNA Polimerasi III trascrive per i tRNA e per rRNA 5S, l’unico tra gli rRNA non prodotto nel nucleolo, e gli snRNA  Le DNA polimerasi II non lavorano con un sigma, ma con tante proteine e lei associate chiamate fattori di trascrizione generali o trascription factor two TFII (D, B, F, E, H) che regolano l’inizio della trascrizione e si legano alle sequenze promotore del DNA. I segnali di inizio e di termine della trascrizione sono tratti di catene di DNA ( -10, -35 per i procarioti oppure TATA BOX per gli eucarioti) capaci di favorire il legame ed il distacco della RNA polimerasi dall’emielica significativa del gene, ossia quella trascritta.  Sempre al 5’ dei geni per mRNA, la regione promotore è chiamata TATA box (-40 nt) a cui si legano i TFII per far in modo che l’RNA Pol II inizi a trascrivere dal +1. Se ci fosse una mutazione a carico del TATAbox non verrebbe trascritto il messaggero e non ci sarebbe nemmeno la proteina, ossia sono mutazioni più importanti rispetto a quelle che interessano le regioni codificanti.  A monte della TATAbox esistono anche degli upstream ehancers ricche di CG e CAAT BOX, che attivano la trascrizione e richiamano tutta una serie di proteine, tra cui l’RNA Pol, fino ad avere l’attivazione del complesso, in cui il DNA si ripiega su se stesso.  L’avvio della trascrizione negli eucarioti è un meccanismo complesso in cui si determina il posizionamento corretto della RNA Polimerasi. Quindi la trascrizione in procarioti inizia ad opera della sola RNA polimerasi (con il sigma che ne è parte), mentre negli eucarioti devono intervenire specifici fattori di trascrizione in quanto non esiste il corrispondente sigma! degenerato, sono 61 le triplette codificanti nel codice, ma i tRNA sono ancora di meno. -> vedi sotto “vacillamento delle basi”. o Ansa anticodone: in cui troviamo la tripletta complimentare e antiparallela al codone del mRNA o Ansa pseudouracile: una base modificata, media il legame tra il tRNA e rRNA 5S presente nella subunità grande del ribosoma. o + un’estremità 3’ che sopravanza a cui si lega l’amminoacido che corrisponde alla tripletta situata sull’anticodone,DOMANDA TEST!. es. ALANINA Ricordare per l’esame: tutti gli aminoacidi della sintesi vengono legati sul tRNA al 3’ che sopravanza, che è un 3’ modificato dall’’aggiunta post-trascrizionale di una tripletta CCA L’amminoacil sintentasi realizzano il caricamento del tRNA con l’amminoacido specifico, che corrisponde alla tripletta dell’anticodone. es. o Codone: GCA nel mRNA o Anticodone: CGU nell’ansia per l’anticodone o Estremità 3’: Amminoacido Alanina Come si lega l’amminoacido: si lega con il suo gruppo carbossilico all’ossidrile del C3 del ribosio sul nucleotide A al termine della tripletta CCA, aggiunta post-trascrizionalemente al 3’. Ribosoma o Struttura complessa formata da:  rRNA: negli eucarioti sono prodotti tutti nel nucleolo tranne il 5S che è nel nucleo  Proteine ribosomiali: negli eucarioti sono prodotte nel citoplasma e migrano nel nucleo. o Per gli eucarioti gli rRNA vengono trascritti nel nucleolo, a parte il 5S che è prodotto nel nucleo, mentre nei procarioti è tutto sintetizzato nel citoplasma. o Durante la sintesi, a partire dal precursore 45S si ritagliano: o Gli rRNA 18S (eucarioti) o 16S (procarioti) che costituiscono la subunità minore o Gli rRNA 28S, 5.8S che unendosi al 5S formano la subunità maggiore o Le due subunità, maggiore e minore, si assembrano solo al momento della traduzione, quando dopo la sintesi migrano nel citoplasma. Ribosoma Eucariotico e Procariotico Dalla treccani:  I ribosomi dei procarioti hanno un coefficiente di sedimentazione pari a 70 unità Svedberg (70S). Sono composti da due subunità: o una minore 30S - contiene una molecola di RNAr 16S a cui si lega l’mRNA con la sequenza di Shine-Delgarno o una maggiore 50S - contiene due molecole di rRNA formate rispettivamente (23S) e (5S) associate a 34 differenti proteine  I ribosomi degli eucarioti hanno un coefficiente di sedimentazione di 80S e sono costituiti da due subunità: o minore 40S - contiene un rRNA 18S o maggiore 60S - contiene tre catene di RNA 5S, 5.8S e 28S. Siti attivi dell’unità maggiore  Avviene nel citoplasma, all’interno dei ribosomi che possiedono siti di legame chiamati Ribosome Binding Sintes: o Un legame per l’mRNA nella subunità minore 40S o Due legami per i tRNA nella subunità maggiore 60S:  sito A (ammioacilico) a cui si lega l’amminoiacil-tRNA, sito che permette l’inserimento di un nuovo tRNA amminoacilato, ossia legato ad amminoacido. La catena polipeptidica adiacente, legata a tRNA che occupa il sito P si stacca e tramite un legame peptidico, si unisce all’aminoacido legato sul sito A. Successivamente il ribosoma scorre di 3 nucleotidi, e il tRNA con la catena di ammioacidi diventa il nuovo sito P.  sito P (peptidilico), a cui si lega il peptidil-tRNA, sito di allocazione della catena peptidica in crescita  sito E di uscita Struttura del mRNA  Nei procarioti inizia con la sequenza leader che però non viene tradotta in proteina e contiene la sequenza Shine-Dalgarno, che si appaia al rRNA 16S della subunità minore.  La sequenza codificante inizia sempre con la tripletta AUG e termina con una tripletta detta di STOP. Segue un tratto detto TRAILER (rimorchio) non codificante.  I geni che codificano per proteine sono POLICISTRONICI (ad un unico promotore seguono tutti i geni di una determinata via metabolica per cui vengono trascritti tutti contemporaneamente). Leader – AUG ……gene…..STOP – Trailer  Negli eucarioti L'mRNA ha struttura simile a quella dei Procarioti, ma: o Presenta al 5’ il CAP (7-metilguanosina): si legherà all'rRNA 18S durante la traduzione o La coda di poliA al 3'. o I geni che codificano per proteine sono MONOCISTRONICI (ciascun gene ha il suo proprio promotore) Traduzione  La lettura dell'mRNA procede in direzione 5' -> 3‘  La sintesi proteica procede dall'estremità N-terminale (NH2)- all'estremità C-terminale (COOH) del polipeptide  La traduzione ha inizio sempre con Formil-metionina in Procarioti Metionina in Eucarioti Il ribosoma scorre sull’m-RNA, leggendolo in direzione 5’-3’ fino ad arrivare alla tripletta AUG (start) per iniziare la traduzione. La traduzione inizia sempre con la metionina negli eucarioti, che nei procarioti viene modificata a formil-metionina, ed ha tre fasi: inzio, allugamento e terminazione. 1) Inizio  Il messaggero si lega alla subunità minore, al primo tRNA che porta la Met/ForMet, grazie a dei fattori di inizio. della tripletta, tollerando un appaiamento vacillante/oscillante/non canonico nella terza posizione. Situazione canonica che segue la legge dell’appaiamento delle basi  t-RNA con anticodone 3’GAG5’ che porta l’amminoacido Leu  m-RNA con codone 5’CUC3’ ma anche, con Base vacillante  t-RNA con anticodone 3’GAG*5’ che porta l’amminoacido Leu  m-RNA con codone 5’CUU3’ *nel 5’ dell’anticodone spesso esiste una base modificata che si chiama Inosina I, che si complementa con A,C e U. Sono basi modificate post-trascrizionalmente, per proteggerci dall’errore, perché tollerano più appaiamenti. Questo appaiamento approssimativo rende possibile combinare 20 AA ai loro 61 codoni servendosi per esempio di solo 30/50 molecole di tRNA. Bilancio energetico trascrizione Esempio proteina di 100 aa  1 GTP per il complesso di inizio  99 GTP per l'attacco dei 99 tRNA  99 GTP per la traslocazione dei 99 tRNA  1 GTP per il rilascio della proteina Totale 200 GTP che corrisponde a 2 GTP per ogni aminoacido - Riassumendo 1AA=2GTP Proteine  Le proteine sono dei polimeri di aminoacidi detti anche catene polipeptidiche.  Gli aminoacidi possono essere destrogiri (D-) e levogiri (L-), perché il carboinio chirale presenta un’isomeria ottica. Negli organismi viventi sono presenti solo L-aminoacidi, ossia il gruppo amminico sta a sinistra.  Ciascun aminoacido è costituito da un carbonio alfa, a cui sono legati un gruppo carbossilico (COOH), un gruppo amminico (NH2), un H, e un gruppo variabile detto radicale.  I radicali conferiscono ad ogni aminoacido la propria specificità, declinando i 20 amminoacidi. Il radicale dona anche all’amminoacido la caratteristica di essere idrofobilo o idrofilo. Non ne ha parlato nel dettaglio: Gli amminoacidi APOLARI (idrofobici) contengono nel radicale un gruppo idrofobico ( es.- CH3) Gli amminoacidi polari POLARI (idrofilici) che si suddividono in:  POLARI ACIDI che contengono nel radicale un gruppo acido (es.-COOH)  POLARI BASICI che contengono nel radicale un gruppo basico (es.-NH2),  POLARI NON CARICHI che contengono nel loro radicale sia un gruppo acido che un gruppo basico o comunque un gruppo idrofilico per cui il loro pH è neutro. Legame pepditico tra amminoacidi: si forma tra il gruppo COOH di un aminoacido e il gruppo NH2 del successivo aminoacido con l'eliminazione di una molecola di acqua (condensazione). E’ un legame covalente più forte perché più breve del singolo legame, e quindi si avvicina ad avere le caratteristiche di un doppio legame. Struttura Proteine Le proteine sono polimeri di amminoacidi e possono presentare tre/quattro livelli di struttura:  la struttura primaria - sequenza lineare di amminoacidi determinata dal gene – legame peptidico o ammidico  la struttura secondaria –α-elica o a foglietto ripiegato-β - stabilizzata da legami a H fra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico dei residui più avanti, di determinati gruppi peptidici. La proteina può presentare entrambi4.  la struttura terziaria – delle proteine tridimensionali e/o globulari, generata dal ripiegamento della struttura secondaria con legami tra radicali, vari legami: interazioni di tipo debole, come le interazioni idrofobiche, i legami a idrogeno, le interazioni di Van der Waals, oltre che dai ponti disolfuro (-S-S-) che si formano fra due gruppi -SH dell'amminoacido cisteina, sempre possibile. + una struttura addizionale:  la struttura quaternaria è data dalla presenza di due o più catene polipeptidiche, I tipi di legame che determinano la struttura quaternaria sono gli stessi alla base di quella terziaria, è opzionale! Es. emoglobina ed enzimi come l’RNA Polimerasi. Ricordare: la funzionalità delle proteine è data dalle caratteristiche degli amminoacidi che la costituiscono e dalla modalità di legame e ripiegamento nello spazio. infine, le proteine si distinguono in simplici o coniugate. Le prime sono solo catene pepidiche, le seconde sono coingate con gruppi di natura non proteica, come zuccheri etc. Funzione delle proteine  ENZIMI: catalizzatori biologici (acceleratori) ad elevatissima specificità.  PROTEINE STRUTTURALI Proteine della membrana cellulare, proteine del citoscheletro (es. actina), proteine della matrice extracellulare (es. collagene).  PROTEINE DI TRASPORTO Es. emoglobina che trasporta ossigeno e anidride carbonica.  PROTEINE CONTRATTILI Proteine che permettono il movimento muscolare (miosina).  PROTEINE DI DIFESA Es. anticorpi che riconoscono e inattivano sostanze estranee dell'organismo (antigeni).  FATTORI DI CRESCITA E ORMONI Regolano la crescita, il metabolismo e il differenziamento cellulare. 4 Nell' a-elica l'ossigeno carbossilico di ciascun legame peptidico forma un legame ad idrogeno con l'idrogeno del gruppo amminico dell'aminoacido che si trova quattro residui più avanti nella sequenza lineare. Nel foglietto pieghettato b i legami ad H si instaurano tra gli atomi che formano i legami peptidici appartenenti a catene polipeptidiche diverse o a porzioni dello stesso polipeptide ripiegato su se stesso.  PROTEINE DI LEGAME O RECETTORI Legano ormoni o fattori di crescita (interazione funzionale biologica).  TOSSINE Proteine tossiche che derivano dai processi di degradazione cellulare e che vengono eliminate nel sangue e nelle urine. Termini o Replicone TEST: l’unità di replicazione, cioè la porzione di DNA, costituita da più geni, che si duplica in blocco; in ciascun r. la duplicazione inizia (e termina) sempre in un punto determinato. Nel cromosoma degli Eucarioti sono presenti numerosi r. che possono funzionare contemporaneamente; il cromosoma circolare dei Procarioti, invece, contiene un unico replicone. La replicazione più essere anche bidirezionale se si formano due forche replicative, oppure unidirezionale. Negli eucarioti l’apertura della doppia elica avviene in più punti detti REPLICONI, lungo il cromosoma In ciascun replicone le forcelle di replicazione procedono allontanandosi in direzione opposta l’una dall’altra; in tal modo ogni forcella incontrerà le forcelle adiacenti. o Sintesi bidirezionale: 2 forcelle di replicazione con 1 origine, ad ogni origine di replicazione si formano due forcelle replicative che scorrono in direzioni opposte rispetto all’origine aprendo man mano il DNA. o Gene: porzione di genoma/DNA localizzato in precise posizioni all'interno della sequenza di DNA che contiene le informazioni necessarie per codificare molecole, come RNA o proteine. Il gene inizia e termina sempre con sequenze esoniche, codificanti, quindi: NUMERO DEGLI INTRONI = NUMERO DEGLI ESONI – 1 Esempio: 16 esoni=15 introni -----esone-introne-esone-introne-esone----- Oppure nel test: Esoni= introni +1 o Geni associati: localizzato sullo stesso cromosoma o Gene strutturale: tratto di DNA contenente istruzioni per un’intera proteina o Genoma: patrimonio genetico di una specie, es. homo sapiens, che comprende DNA nucleare e mitocondriale. Genoma umano: costituito da 25 differenti molecole di DNA (24 di DNA cromosomico contenute nel nucleo, comprendenti i 22 autosomi più i due cromosomi sessuali, X e Y, a cui si aggiunge la molecola di DNA mitocondriale), corrispondente al suo corredo aploide. Il genoma umano è costituito da circa 3,2 miliardi di paia di basi (bp) comprendenti circa 25.000 geni, localizzati sui cromosomi. o Proteoma: l'insieme delle proteine di un organismo o di un sistema biologico, ovvero le proteine espresse dal genoma di un organismo. 3. Osmosi – tipo particolare di diffusione facilitata di acqua tramite canali appositi di membrana (acquaporine): a. Diffusione facilitata di solvente attraverso una membrana semipermeabile b. Dalla soluzione meno concentrata alla più concentrata, diluendo la regione con meno particelle c. E’ la concentrazione di soluti a determinare la direzione dell’osmosi. Esempi: eritrocita nella isotonica rimane nella sua forma, nella ipertonica si raggrinzisce, nella ipotonica scoppia. Per le cellule vegetali il discorso è simile, ma dato che c’è una parete cellulare, le cellule saranno turgide fino ad un livello limite di acqua in ipotonica, oppure in ambiente ipertonico avviene il fenomeno della plasmolisi5 Trasporto attivo o Da meno concentrato a più concentrato o Contro gradiente o Non spontaneo o Richiede ATP/GTP, o più semplicemente energia o Pompe Atp-asi trasportatrici 1. Trasporto attivo primario tramite ATP a. Pompe ioniche, es. pompa sodio-potassio, la pompa del calcio, e la pompa degli idrogenioni a livello gastrico e renale b. Con idrolisi dell’ATP 2. Trasporto attivo secondario a. Energia generata tramite un processo di trasporto passivo secondo gradiente, con liberazione di di ATP. Nb. il gradiente è creato da un processo di trasporto attivo. b. Trasporto secondo gradiente sostanza, ione >> liberazione di energia>> cotrasporto attivo secondario contro di un’altra sostanza c. Es. Trasporto attivo primario del sodio fuori dalla cellula con pompa Na/K >> creazione di un gradiente di concentrazione >> simporto Na+-glucosio, dove il Na+ è un trasporto passivo e il glucosio è un trasporto attivo secondario. Meccanismi di trasporto attivo: Uniporto, Simporto, Antiporto del Trasporto Attivo o Uniporto = quel trasporto dove viene trasportato solo un soluto, es. pompa Calcio del reticolo entoplasmatico. o Cotrasporto o trasporto accoppiato: o Simporto = quel trasporto dove vengono trasportate più molecole nella stessa direzione, es. sodio e amminoacidi dell’intestino. o Antiporto = quel trasporto dove un soluto viene trasportato in una direzione, e un altro viene trasportato nella direzione opposta. Es. pompa sodio-potassio, con idrolisi di ATP. 5 PLASMOLISI – le cellule vegetali in ambiente ipertonico non raggrinziscono, ma si distacca la parete cellulare. Con plasmolisi si intende il distacco del citoplasma dalla parete cellulare che si verifica nelle cellule vegetali in seguito a variazioni della concentrazione osmotica citoplasmatica, che avviene nel mesofillo, ossia nel tessuto fogliare. Se una cellula del mesofillo è posta in ambiente ipertonico, l’acqua esce dalla cellula: tale perdita di liquido provoca la contrazione del citoplasma e il seguente distacco dalla parete cellulare. Pompa Na/K: 3 Sodio OUT / 2K IN = -70mV di differenza di potenziale Trasporto di grandi molecole  Endocitosi Introflessione/invaginazione della membrana plasmatica, con formazione di vescicole, contenenti macromolecole extracellulari. o Endocitosi mediata da recettori – caso del colesterolo mediato dalla clatrina, una specifica proteina ricettoriale in grado di riconoscere la macromolecola e di trasportarla all’interno della cellula, formando prima una fossetta sulla membrana, eppoi una vescicola rivestita. Per rivestita si intende il rivestimento con la proteina ricettoriale. o Pinocitosi – intromissione di liquidi con vescicole senza ricettori specifici o Fagocitosi –– di grosse parcelle o cellule, con vescicole chiamate fagosomi che poi si fondono con lisosoma a formare il fagolisoma (di cellule dendritiche, macrofagi e granulociti neutrofili)  Esocitosi Escrezione attraverso vescicole intracellulari, che si fondono con la membrana a liberano materiale. Ciclo cellulare Per gli unicellulari ogni cliclo cellulare produce un intero organismo nuovo. Per i pluricellulari dobbiamo specificare se la divisione riguarda solo le cellule somatiche (mitosi) o i gameti o cellule germinali (meiosi). LA MITOSI Le cellule possono essere:  In continua divisione cellulare, es. epidermide  Cellule stabili, in fase quiescente o G0, che se stimolate ricominciano il ciclo, es. epatociti  Cellule perenni GZ, escono per sempre dal ciclo, come i neuroni Correlazione, più una cellula è specializzata meno andrà incontro a divisione. Nei procarioti Un solo cromosoma di DNA circolare, attaccato alla membrana, che si duplica, la cellula cresce e alla fine c’è una scissione binaria. Negli eucarioti  Durante la fase mitotica il DNA è spiralizzato a formare cromosomi  Il citoplasma e i suoi organelli dovranno essere equamente divisi  È un processo che prevede una successione di eventi coordinanti e sincroni Il ciclo cellulare di cellule che subiscono mitosi ha due fasi: interfase + fase M o mitotica. Interfase (G1, S, G2) - G1 (gap, intervallo 1): la cellula si accresce, raddoppia, attua il metabolismo e in tarde fase G1 attiva i geni responsabili per la sintesi del DNA, durata 0-20h. - S (sintesi): duplicazione del DNA e dei centrosomi (che contengono 2 centrioli), il DNA rimane però despiralizzato come ammasso di cromatina, durata 6-8h. - G2 (intervallo 2): la cellula sintetizza le proteine necessarie per prepararsi alla mitosi, recluta la tubulina per il fuso mitotico, i cromosomi iniziano ad addensarsi, durata 3-4h. Fase Mitotica M (Mitosi propriamente detta e citodieresi) Veloce, 0,5-1h, e le cellule figlie entreranno di nuovo in G1. Regolazione del ciclo cellulare Il ciclo cellulare è unidirezionale e irreversibile ma esistono freni molecolari in grado di arrestare il ciclo in vari posti di blocco, chiamati punti di controllo o checkpoints. -C’era la domanda nel test- I. Primo checkpoint in G1, se ci sono problemi la crescita si arresta, la cellula tenta di risolvere, oppure va in apoptosi. Superato questo checkpoint la cellula deve avanzare, stimolata da fattori di crescita di competenza (PDGF, FEF), primari e irreversibili, e da fattori di crescita di progressione (insulina, EGF), che agiscono dopo i primi. Questo checkpoint tiene conto: a. nella massa cellulare sopra/sotto il valore soglia  Recettori intercellulari: per quelle molecole idrofobe, liposolubili, che possono entrare nella cellula A) Recettori di superficie  Proteine di canale (ionici), per l’acetilcolina che legandosi ad essa apre il canale ionico, con massiva entrata di ioni Na+ e contrazione muscolare (risposta).  Ricettori accoppiati a proteine chinasi, come il ricettore per l’insulina, le subunità del recettore legano l’insulina, c’è un cambiamento di conformazione del recettore, si attiva il dominio proteinchinasico (recettore) situato nel citoplasma, che procede a fosforilare i substrati della risposta insulinica.  Ricettori con proteine accoppiate a proteine G: esempio il legame ormone-recettore attiva la proteina G7, il GTP sostituisce il GDP, e la proteina attiva va ad attivare a sua volta una proteina effettore che induce cambiamenti cellulari. Le sostanze estranee all’organismo (es. la nicotina, traminte l’acetilcolina) inducono risposte (es. vasocostrizione), hanno tutti ricettori superficiali. B) Recettori intracellulari  Rispondono a segnali fisici (luce) o a molecole che possono attraversare il doppio stato fosfolipidico.  Molti di questi sono fattori di trascrizione, che si legano al gene bersaglio ( es. geni bersaglio del cortisolo) inducendone l’espressione (RNA Pol). Esempi fatti in classe di trasduzione tramite ormoni o secondi messaggeri:  adrenalina nella glicogenolisi delle cellule epatiche: che è un caso di ricettore di superficie con proteine accoppiate a proteine G, in cui avviene fosforilazione, attivazione di una protein chinasi, e l’attivazione del glicogeno fosforilasi che permette la glicogenolisi ed il rilascio di glucogeno.  Oppure la trasduzione con secondi messaggeri, esempio ioni Ca+ che vengono rilasciati dallo spermatozoo nelle cellule fecondante  Oppure secondo messaggero NO (ossido nitrico) che induce il rilassamento della muscolatura liscia Comunicazione Pluricellulare  Gap junctions, pori di membrana, chiamate anche giunzioni comunicanti. Permettono la risposta coordinata di tutte le cellule di quel tessuto (es. cardiaco) tramite il passaggio di piccole molecole e ioni, ma anche ormoni e secondi messaggeri. Evoluzione cellulare Il miglioramento della comunicazione è stato fondamentale per la coordinazione delle attività degli organismi pluricellulari evoluti. Formazione di aggregati cellulari – comunicazione intercellulare al suo interno – specializzazione dell’aggregato- organizzazione in tessuti. Il processo di trasduzione del segnale (TEST/TUTTE VERE) 7 Le proteine G sono così denominate perché legano il guanosin-trifosfato (GTP) o il guanosin- difosfato (GDP) e sono dotate di attività GTPasica, importante per idrolizzare il GTP.  è una sequenza di eventi molecolari e reazioni chimiche che porta la cellula a rispondere a un segnale  un processo in cui il riconoscimento del segnale ad opera del suo recettore specifico gioca un ruolo decisivo  può coinvolgere recettori di superficie o intracellulari Tumorigenesi Insorgenza di cellule neoplasiche o tumorali, che crescono in maniera non controllata. Le cellule tumorali si definiscono in base a due caratteristiche: 1. perdita di inibizione da contatto – si riproduce incurante 2. invadono e colonizzano – territori riservati ad altre cellulle formando tumori secondari e metastasi. I tumori benigni hanno solo la 1, ossia rimangono in situ I tumori maligni (cancro) hanno sia 1 che 2. A livello di fenotipo, esistono molte classificazioni ma è impossibile avere delle proprietà tipiche. In laboratorio cellule in cultura esposte a cancerogeni avviano una trasformazione che le porta ad essere neoplasiche, poi avvengono altri eventi:  Assetti cromosomici aberranti  Cambiamenti morfologici nel citoplasma: citoscheletro ridotto o disorganizzato  Cambiamenti sulla superficie cellulare: - espressione di antigeni tumorali - minore adesività - perdita del contatto con matrice extracellulare e cellule circostanti - mobilità in coltura, perdita dell’inibizione da contatto  Minore dipendenza dalla presenza di siero, le cellule tumorali proliferano senza dipendere da segnali trasmessi dai loro recettori di superficie  Mobilità in coltura, non necessitano di un substrato solido per crescere, perdono la dipendenza dall’ancoraggio  Non subiscono processi di invecchiamento, continuano a dividersi indefinitamente es. ripristinata attività telomerasica Una cellula trasformata è caratterizzata da indipendenza da fattori di crescita Classificazione secondo il tessuto: - cellule epiteliali: carcinomi - tessuti connettivo o muscolare: sarcomi - tessuto ghiandolare: adenocarcinomi - cellule emopoietiche: leucemie - cellule del sistema nervoso: neuroblastomi ecc. Cause del cancro:  sostanze chimiche  radiazioni  virus a DNA e RNA  alimentazione  altro… è una malattia genetica con una forte componente di interazione ambientale. Origini del cancro Alterazioni del comportamento cellulare derivate a loro volta da alterazioni del DNA (mutazioni), le cellule diventano indipendenti e non subiscono i normali checkpoint cellulari. E’ un processo a più stadi, spesso sono i geni che sono coinvolti nei meccanismi di controllo (vedi p53) a mutare. Accumulo di mutazioni: non basta una singola mutazione, spesso sono necessarie almeno 5-6 mutazioni indipendenti in geni diversi, coinvolti nella regolazione. Spesso è un tumore benigno che degenera (accumula mutazioni) in maligno, ossia invasivo. Per questo motivo il cancro è definito come una malattia genetica. Nel cancro ereditario, la componente ereditaria ha un ruolo fondamentale, e non è solo frutto di una mutazione somatica. I primi modelli studiati sono stati quelli del cancro rettale per poliposi adenomatosa ereditaria. Si è studiato l’interazione tra due tipi di geni che solitamente assicurano un funzionamento normale della cellula, e che possono mutare: 1. Geni oncosoppressori – che sopprimono la proliferazione cellulare, tipicamente si perde la funzione del gene oncosoppressore p53 che agisce del passaggio da G1 a S. 2. Geni oncogeni – che potenzialmente indirizzano la cellula verso la neoplasia, che mano a mano portano al fenotipo tumorale e infine maligno e metastatico. Geni oncosoppressori – perdita del freno molecolare con azione RECESSIVA La p53 è il guardiano del nostro genoma e agisce a tre livelli:  Trascrizionale: attiva l’espressione della proteina p21 che inibisce il processo attivatorio cdk-ciclina, non c’è il passaggio tra G1-S  Ripara direttamente i danni del DNA  Dirige la cellula all’apoptosi Mutazione al p53 = mancanza di freno molecolare, un possibile danno continua a perpetuarsi e quindi individui con questa mutazione hanno un rischio più alto di sviluppare tumori. Azione recessiva degli oncosoppressori: e anche p53, agiscono in maniera recessiva, ossia per la loro alterazione è necessario che entrambi gli alleli del gene siano deleti o alterati. Sono necessari due eventi mutazionali somatici.  Nei tumori ereditati, in cui non si eredita il tumore ma la predisposizione a questo, l’individuo nasce con una mutazione della linea germinale, ossia una copia del gene già alterata, e per sviluppare il tumore ha bisogno di solo un’altra mutazione. Geni oncogeni – perdita di crescita controllata con azione DOMINANTE Normalmente nel nostro organismo esistono protoncogeni, che codificano per proteine che regolano il normale funzionamento cellulare, ossia regolano la crescita cellulare in senso positivo. mediante il fenomeno della memoria cellulare: archivio storico scritto nel genoma sotto forma di stati durevoli o stabili di attivazione o repressione genica, che tramandano alla loro progenie. Foglietti embrionali Questi sono costituiti da cellule uguali dalle quali si svilupperanno tutti gli organi dell’individuo adulto, le cui cellule sono diverse per forma e funzione:  ECTODERMA (sistema nervoso epidermide e derivati)  MESODERMA (app. scheletrico, muscolatura, tessuto connettivo, app. circolatorio e urogenitale)  ENDODERMA(epitelio, vie respiratorie , tubo digerente e ghiandole annesse) La distribuzione di questi tessuti sarà molto precisa, grazie a fattori di trascrizione che attivano determinati geni, che operano in successione. Lo sviluppo embrionale è l’antitesi del cancro, perché crea la struttura ordinata del corpo. Stati di differenziazione Nel processo di differenziazione cellulare si distinguono 3 fasi corrispondenti ad una graduale restrizione della potenzialità differenziativa delle cellule:  Fase iniziale: zigote e primi blastomeri, con cellule totipotenti, capaci di dare origine a tutti i tipi cellulari dell’adulto, compresi gli annessi extraembrionali.  Fase intermedia: dove nella massa interna della blastocisti si trovano cellule embrionali pluripotenti, che daranno origine a tutti i tessuti a partire dei tre foglietti embrionali. Successivamente da ciascun foglietto si differenziano cellule multipotenti che daranno origine ad alcune linee cellulari, es. cellule emopoietiche del midollo  Fase Terminale: con cellule altamente differenziate e specializzate, tramite cellule unipotenti, che mantengono l’omeostasi dei tessuti La cellula differenziata contiene tutti i geni dello zigote ma ne esprime solo alcuni! Differenziamento dell’adulto Viene mantenuto nei tessuti che si rinnovano continuamente, ma ogni tessuto si rinnova autonomamente grazie a cellule staminali indifferenziate o non completamente differenziate. Le staminali poi mantengono sempre il loro pool di staminali, dividendosi anche senza differenziazione, oppure in una cellula differenziata che poi diventerà progenitrice. Le propriet che definiscono una cellula staminale sono:à̀  alta capacità di auto-rinnovamento e proliferazione (self- renewal) per tutta la vita dell’organismo  stato indifferenziato (cioè, non si trova alla fine del percorso di differenziamento)  divisione in maniera simmetrica o asimmetrica per dare origine o a ulteriori cellule staminali indifferenziate per mantenere il pool staminale o a cellule progenitrici destinate a differenziarsi e specificarsi La funzione della cellula staminale non è quella di svolgere il ruolo differenziato, ma di produrre cellule che lo svolgeranno: non possiedono alcun aspetto peculiare, fatto che le rende difficili da identificare. Tuttavia questo non vuol dire che le cellule staminali siano tutte uguali tra loro. Le cellule staminali che danno origine ad un solo tipo di cellule differenziate sono dette unipotenti (epidermide), e quelle che danno origine a molti tipi cellulari sono dette multipotenti (midollo osseo). La differenziazione è sempre unidirezionale, ossia non si può tornare indietro e la cellula differenziata riduce la sua potenzialità genetica, perché verranno espressi solo alcuni geni. Le proteine possono essere  costitutive, prodotte da tutte le cellule per la sopravvivenza  specifiche, di un determinato tipo cellulare, utili all’intero organismo Correlazione negativa. Più una cellula si specializza (vedi neurone) meno si duplica.