DNA e RNA: Struttura, Funzioni e Processi di Replicazione, Transcrizione e Traduzione, Sintesi del corso di Fondamenti Anatomo-fisiologici dell'Attività Psichica

Scarica DNA e RNA: Struttura, Funzioni e Processi di Replicazione, Transcrizione e Traduzione e più Sintesi del corso in PDF di Fondamenti Anatomo-fisiologici dell'Attività Psichica solo su Docsity! FONDAMENTI NEUROBIOLOGICI E GENETICI ESAME 18.02.19 • 1. IL METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE L’organismo vivente mantiene la propria organizzazione, si riproduce ed è attraversato da un flusso continuo di energia. La forma di energia utilizzata dai viventi è l’energia chimica (autotrofi->piante / eterotrofi->uomo). La necessità di introdurre alimenti è data dal bisogno di soddisfare i bisogni energetici per il mantenimento delle strutture dell’organismo, di rifornire l’organismo dei materiali necessari per la crescita ed il rinnovamento delle sue stesse strutture e dalla necessità di assumere elementi nutrizionali (H2O, vitamine e Sali minerali) che non hanno funzione energetica ma sono essenziali. La scienza è una forma del sapere umano (conoscenza) caratterizzata da un metodo che ha due requisiti fondamentali: rigore e oggettività Il movente della scienza secondo Aristotele era la meraviglia a causa della quale gli uomini hanno iniziato a filosofare, prima sulle difficoltà più semplici e in seguito su problemi sempre maggiori. Diverse aree del sapere umano possiedono dal loro inizio o hanno più o meno recentemente acquisito un metodo scientifico e vengono quindi riconosciute come scienze. Scienze matematiche -> algebra, geometria Scienze fisiche -> fisica, chimica, biologia Scienze umane -> sociologia, psicologia Il metodo scientifico 1. OSSERVAZIONE -> osservazione attenta , curiosa, senza pregiudizi e possibilmente ripetuta, del fenomeno 2. DEFINIZIONE DEL PROBLEMA -> porre la domanda giusta nel modo giusto 3. FORMULARE UNA O PIU’ IPOTESI DI SOLUZIONE DEL PROBLEMA -> tentativo logico e valutabile di risposta alla domanda 4. VERIFICHE DELLE IPOTESI -> verifiche o confutazioni possono essere di tipo osservazionale o sperimentale 5. CONCLUSIONE O PROPOSTA DI UNA TEORIA SCIENTIFICA-> la teoria scientifica è una ipotesi avente valore predittivo, suffragata da numerose e convincenti verifiche e non ancora confutata da alcuna osservazione contraria alla previsione. Le teorie scientifiche non sono assolute né immutabili e possono essere riviste e corrette 6. COMUNICAZIONE ALLA COMUNITA’ SCIENTIFICA-> il carattere pubblico della scienza e la sua oggettività richiedono la comunicazione dei dati, delle ipotesi, delle verifiche e della eventuale teoria proposta Esempi di ricerca scientifica: Pneumococchi, sindrome di Rett (slide 26-42) • 2. ACIDI NUCLEICI Tutti gli organismi viventi hanno un progetto formativo-costitutivo secondo il quale si sviluppa la struttura e l’insieme delle attività metaboliche dell’organismo stesso. Il progetto formativo è scritto nel materiale genetico (DNA e RNA) GENOTIPO+AMBIENTE=FENOTIPO DNA Oggi sappiamo che il DNA è un polimero lineare non ramificato enormemente lungo. Fino al 1940 gli scienziati rifiutavamo la possibilità che il DNA potesse portare l’informazione genetica perché vedevano sequenze di 4 nucleotidi ripetute all’infinito ma non ne capivano il significato (i nucleotidi sono disposti in una sequenza irregolare ma non casuale). Ciascuna molecola di DNA è compattata in un cromosoma e l’informazione genetica totale conservata nei cromosomi di un organismo ne costituisce il GENOMA. La quantità di DNA nel genoma di un organismo non ha una relazione sistematica con la complessità dell’organismo stesso. DNA-> acido desossiribonucleico (per la maggior parte degli esseri viventi) RNA -> acido ribonucleico (per alcuni virus) DNA e RNA sono polimeri lineari di nucleotidi Le principali basi puriniche e pirimidiniche del DNA e dell’RNA (contenute nei nucleotidi) sono: Purine -> ADENINA E GUANINA (DNA E RNA) Primidine -> CITOSINA E TIMINA (DNA), CITOSINA E URACILE (RNA) Il DNA e l’RNA sono formati da desossiribonucleotidi o ribonucleotidi uniti fra loro con un legame fosfodiesterico. DNA e RNA svolgono funzioni differenti DNA nucleare e mitocondriale RNA citoplasmatico (mRNA, tRNA, rRNA) Il dogma centrale della biologia dice che il flusso dell’informazione è irreversibile ma oggi questa definizione deve essere corretta (DNA-> replicazione RNA-> trascrizione PROTEINE-> traduzione) Trascrizione = specifiche molecole di RNA vengono tradotte in proteine Replicazione = mitosi (cellule somatiche) meiosi (cellule germinali) Sebbene il genoma umano contenga abbastanza DNA da codificare quasi 3 milioni di proteine, in realtà è stato stimato che in esso siano presenti solo circa 22 mila sequenze codificanti mentre la restante parte non è codificante. a. Struttura della doppia elica del DNA b. Complementarietà delle basi puriniche e pirimidiniche -> A-T (legame a idrogeno debole) e G-C (legame a idrogeno forte) c. Cromatina e cromosomi -> tutti i cromosomi hanno una struttura organizzata e compatta ottenuta grazie a proteine specializzate, gli ISTONI. Essi sono proteine relativamente piccole con una percentuale molto alta di aminoacidi carichi positivamente (lisina e arginina) che si legano con forza al DNA (carico negativamente). Gli istoni si dividono in due gruppi -> responsabili dell’avvolgimento (H2A, H2B, H3, H4) e responsabili Ogni aminoacido è costituito da un atomo di carbonio centrale legato covalentemente a quattro gruppi chimici. Tre di questi gruppi sono gli stessi in tutti gli aa: gruppo carbossilico, gruppo amminico, un atomo di idrogeno; il quarto gruppo, diverso per ogni aa è detto catena laterale. Le cellule uniscono uno all’altro gli aa attraverso reazioni di condensazione e il legame tra aa adiacenti è detto legame peptidico che avviene quando due aa sono disposti in modo che il gruppo carbossilico di uno viene a essere vicino al gruppo amminico dell’altro. Un enzima può determinare l’unione dei due catalizzando una reazione di disidratazione. Com’è possibile costruire una varietà di proteine illimitata a partire da 20 aa diversi? La risposta risiede nella disposizione degli aa perché ogni proteina è caratterizzata da una peculiare sequenza di quest’ultimi e, dato che ogni proteina e costituita da almeno 100 aa, le possibili combinazioni sono infinite. Una proteina funzionale non è solo una catena polipeptidica ma piuttosto uno o più peptidi ripiegati ed avvolti in modo preciso che formano una molecola peculiare. Se dissezionassimo la forma di una proteina si potrebbero riconoscere tre livelli di struttura: primaria, secondaria, terziaria. Le proteine costituite da più catene polipeptidiche possiedono un quarto livello di struttura: quaternaria. PRIMARIA: La specifica sequenza degli aa che costituisce una proteina è detta struttura primaria ed un cambiamento anche modesto di questa struttura può influenzare la funzionalità della proteina. (es. anemia falciforme) SECONDARIA: certi segmenti di catena polipeptidica formano strutture regolari locali dette struttura secondaria. I due tipi principali di struttura sono l’alfa elica e la struttura beta a pieghe. Questa struttura è stabilizzata da legami ad idrogeno che si formano lungo lo scheletro della catena polipeptidica. TERZIARIA: è la complessiva struttura tridimensionale di una proteina. Essa è stabilizzata da legami chimici tra i gruppi delle catene laterali di aa che si trovano in zone diverse della catena polipeptidica. Legami deboli (legami ad idrogeno, ionici ed interazioni di van der Waals) , legami forti (legami di solfuro, covalenti tra coppie di cisteine) QUATERNARIA: è la proteina nel suo complesso risultante dall’aggregazione di due o più catene polipeptidiche associate in una macromolecola funzionale (es. collageno, emoglobina) Quali sono i fattori fondamentali che determinano la conformazione di una proteina? Una catena polipeptidica si dispone spontaneamente assumendo una forma tridimensionale stabilizzata da interazioni responsabili della struttura secondaria e terziaria e questo ripiegamento si realizza nel momento in cui la proteina è ancora in via di sintesi nella cellula. La conformazione di una proteina dipende dalle condizioni fisiche e chimiche dell’ambiente in cui si trova e se pH, concentrazione salina, temperatura e altri parametri ambientali si modificano, la proteina può destrutturarsi (processo di denaturazione). Il processo di ripiegamento o “folding” corretto di una proteina non è semplice. Fino ad oggi i biochimici hanno determinato la struttura tridimensionale di circa 10.000 proteine. La simulazione del processo di folding di una proteina è oggi al di là delle possibilità dei moderni programmi informatici e gli scienziati si prefiggono di sviluppare un super computer capace di generare la struttura tridimensionale di qualsiasi proteina a partire dalla sequenza di aa. La principale metodica utilizzata attualmente per identificare la struttura tridimensionale è la cristallografia a raggi X. • 4. LA TEORIA CELLULARE La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi poiché tutti gli organismi sono costituiti da cellule. La cellula è l’unità fondamentale di struttura, funzione e riproduzione. Hooke (1635-1703), osservo con il suo primitivo microscopio composto numeri oggetti e l’analisi microscopica di una sottile sezione di sughero gli permise di osservare che essa era tutta perforata e porosa come un alveare. In realtà Hooke non vide e non descrisse delle cellule ma solo quello che delle cellule rimane nel sughero ovvero la sola parete cellulare vuota. Nei primi decenni dell’800 furono disponibili agli studiosi di organismi viventi dei nuovi modelli di microscopi composti dotati di lenti di avanzata concezione ottica in grado di migliorare l’ingrandimento e soprattutto il potere di risoluzione del microscopio ottico. Grazie a questi nuovi strumenti nacque un nuovo interesse per l’anatomia e la patologia microscopica che portarono alla scoperta e alla descrizione delle due componenti essenziali delle cellule: nucleo e citoplasma. Schleiden (1804-1881) sostenne e difese con vigore la tesi che le cellule sono unità di struttura, di funzione e di organizzazione degli esseri viventi. Schwann (1810-1822) studiando al microscopio la struttura della larva di rana e la struttura della cartilagine osservò che esse erano simili alla struttura della “cella” osservata nei vegetali ed estese agli organismi animali la concezione “cellulare” di Schleiden. Schleiden e Schwann confrontarono le loro osservazioni ed elaborarono successivamente una teoria generale della cellula come unità fondamentale di struttura e di funzione nei sistemi viventi. Virchow affermò con chiarezza che tutte le cellule di un organismo derivano solo da cellule preesistenti: “Omnis cellula e cellula” (1885). Alla cellula viene così riconosciuto anche il ruolo di unità fondamentale della riproduzione degli organismi e a Virchow è attribuito il merito di aver formulato obiettivi e metodi dell’indagine patologica fondando il concetto di “patologia cellulare”. Alla fine dell’800 lo studio della cellula aveva fatto notevoli progressi e diverse strutture sub-cellulari erano state identificate attraverso l’osservazione di preparati istologici di buona qualità. Occorre ricordare l’importanza dell’invenzione del microtomo (1870) che permise l’ottenimento di preparati molto sottili, e dello sviluppo di tecniche di colorazione chimica dei preparati. Infine, la disponibilità di microscopi ottici perfezionati consentì di raggiungere, nell’osservazione delle strutture istologiche e citologiche, risoluzioni inferiori al micrometro. Con l’avvento del microscopio elettronico, inventato negli anni ’30 e reso disponibili ai biologi negli anni ’40, si aprì una nuova fase di studi citologici, quella dell’indagine sulla ultrastruttura cellulare che continua tuttora con risultati importanti per la comprensione morfologica e fisiologica dei processi vitali. TEORIA CELLULARE: tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule, la cellula è l’unità fondamentale di struttura e funzione del vivente e tutte le cellule derivano da cellule preesistenti (la cellula è l’unità fondamentale della riproduzione). La cellula è la minima struttura biologica che possiede tutte le caratteristiche dei sistemi viventi. Esistono poi degli organismi viventi “non cellulari”, i VIRUS che non hanno struttura e organizzazione di tipo cellulare e non sono da considerare organismi viventi. Essi possiedono un loro patrimonio genetico ma non sono in grado di riprodursi autonomamente e non sono auto-regolabili CELLULA EUCARIOTE -> cellule che hanno una struttura complessa e organizzata e possiedono un nucleo ben visibile definito da una membrana (Protisti unicellulari, funghi, piante e animali pluricellulari) Struttura: MATRICE EXTRACELLULARE-> le cellule possiedono un’elaborata matrice. Le principali componenti sono le glicoproteine prodotte dalla cellula stessa. La proteina più importante è il collagene che forma robuste fibre all’esterno delle cellule, infatti, costituisce circa la metà delle proteine che compongono il corpo umano. Un’altra proteina importante è la fibronectina che interagisce con le integrine, proteine recettoriali localizzate sulla membrana plasmatica che la attraversano legandosi, sul versante citoplasmatico, al citoscheletro cellulare. Le integrine dunque sono nella posizione tale da poter trasmettere cambiamenti della matrice al citoscheletro e viceversa. Recenti ricerche su fibronectine e integrine hanno messo in luce il ruolo determinante della matrice cellulare nelle varie attività vitali delle cellule. Altre ricerche invece dimostrano che la matrice presente intorno alla cellula può influenzare l’attività dei geni contenuti nel nucleo e viceversa. Le numerose cellule di un organismo vivente sono organizzate in tessuti, organi e apparati. Cellule vicine aderiscono, interagiscono e comunicano tra loro mediante speciali dispositivi di contatto fisico. In particolare, nei tessuti epiteliali che delimitano la superficie interna del corpo, sono presenti tutti i tipi di contatti intercomunicanti: giunzioni occludenti, desmosomi, giunzioni comunicanti. GIUNZIONI OCCLUDENTI-> in corrispondenza di queste giunzioni le membrane di cellule confinanti sono fuse e formando cinture continue attorno alle cellule, esse impediscono la dispersione di fluido extracellulare attraverso lo strato delle cellule epiteliali. Per esempio, le giunzioni occludenti situate nell’intestino mantengono separato il contenuto intestinale dai fluidi corporei situati sul versante opposto. DESMOSOMI-> sono definiti anche giunzioni di ancoraggio e funzionano come punti di unione mantenendo le cellule strettamente aderenti. Sono rinforzati da fascetti di filamenti intermedi composti di cheratina. GIUNZIONI COMUNICANTI-> sono dette anche giunzioni gap e formano dei canali citoplasmatici tra cellule adiacenti. Particolari proteine di membrana circondano ogni poro che fa passare gli ioni di sali, zuccheri e aminoacidi e altre piccole molecole. Per esempio nel tessuto muscolare cardiaco, il flusso di ioni attraverso queste giunzioni coordina le contrazioni cellulari. MEMBRANA CELLULARE-> è costituita da lipidi, proteine e carboidrati. I fosfolipidi sono disposti a formare un doppio strato, con le teste (idrofile) esposte alla superficie delle membrana e le code (idrofobiche) rivolte le une verso le altre nello strato più profondo della membrana nel quale si collocano anche le molecole di colesterolo che contribuiscono a stabilizzare la struttura interna della membrana e a renderla più plastica. Le proteine , secondo il modello mosaico fluido, sono inserite con vario grado di penetrazione nel doppio strato fosfolipidico. Mentre i lipidi contribuiscono a determinare la struttura, le funzioni specifiche della membrana dipendono gran parte dalle proteine che sono presenti al suo interno e sulla superficie. I carboidrati sono costituiti da catene di monosaccaridi che si trovano sulla superfice esterna della membrana citoplasmatica. Possono essere legati alle proteine (glicoproteine) oppure ai fosfolipidi (glicolipidi). Essi sono coinvolti nella struttura e nelle funzioni dei recettori di membrana che riconoscono sostanze specifiche (permettendo alla cellula di ricevere messaggi chimici da diversi organi dell’organismo) o altre cellule, e possono rilevare variazione nella composizione chimica dell’ambiente esterno. NUCLEO-> è costituito da: un involucro nucleare (carioteca) composto da due membrane separate da uno spazio perinucleare. La carioteca possiede dei pori nucleari che si aprono nell’involucro nucleare per permettere il passaggio di molecole tra il nucleo e il citoplasma, e inoltre racchiude il nucleoplasma che contiene la cromatina e il nucleolo; il nucleolo (da uno a quattro per ogni nucleo) è la sede dove avviene la sintesi dell’RNA ribosomiale e l’assemblaggio dei ribosomi, per unione dell’rRNA con alcune proteine. CITOPLASMA-> è composto da organelli e citosol Mitocondri -> sono organelli di forma diversa presenti in numero variabile in tutte le cellule. Sono costituiti da una membrana esterna e da una interna (che forma delle introflessioni dette “creste mitocondriali” che ne aumentano la superficie) che racchiudono un liquido denso detto “matrice mitocondriale”. La loro funzione principale è quella respiratoria: la produzione di energia. Poiché la maggior parte dell’ATP che la cellula produce è sintetizzato in questi organelli, il mitocondrio è considerato la centrale energetica