I riassunti , gli appunti i testi contenuti nel nostro sito sono messi a disposizione gratuitamente con finalità illustrative didattiche, scientifiche, a carattere sociale, civile e culturale a tutti i possibili interessati secondo il concetto del fair use e con l' obiettivo del rispetto della direttiva europea 2001/29/CE e dell' art. 70 della legge 633/1941 sul diritto d'autore
Le informazioni di medicina e salute contenute nel sito sono di natura generale ed a scopo puramente divulgativo e per questo motivo non possono sostituire in alcun caso il consiglio di un medico (ovvero un soggetto abilitato legalmente alla professione).
Biologia: studio scientifico degli organismi viventi.
Presuppone un’indagine accurata dell’organismo vivente
Caratteristiche degli organismi viventi:
Gli organismi possono essere:
La cellula è l’unità strutturale e funzionale che costituisce tutti gli organismi viventi
La cellula ha una complessità di forma e di funzione. Ma tutte le cellule hanno in comune tra loro tre caratteristiche:
Le cellule in base alla complessità della loro organizzazione interna vengono distinte in :
I PROCARIOTI sono gli organismi più semplici. In genere sono unicellulari, ma possono presentarsi sotto forma di gruppi di aggregazione o di gruppi con centinaia di individui e possono aver forme molto diverse. Comprendono i batteri (bacteria e archea) e le alghe verdi.
Sono caratterizzati da una membrana cellulare, un nucleoide immerso nel citoplasma ma non delimitato da una membrana. Sono dotati di un’ulteriore struttura di rivestimento chiamata parete cellulare che rappresenta uno strato rigido di spessore variabile che protegge la cellula. A seconda della composizione della parete i batteri vengono distinti in: GRAM positivi (peptidoglicano) GRAM negativi (fosfolipidi)
I batteri hanno possibilità di movimento: I FLAGELLI rappresentano le strutture di movimento di un batterio
Le cellule EUCARIOTE sono più strutturate e complesse. Parola chiave: Compartimentalizzazione. Negli eucarioti, i processi funzionali avvengono in luoghi delimitati separati tra loro da strutture di membrana in strutture definite ORGANULI ->
Vantaggi:
Svantaggi:
Complessità di funzioni:
Gli organismi pluricellulari sono costituiti da cellule specializzate nello svolgere funzioni tra loro molto diverse. Esistono quindi vari tipi di cellule eucariote
La materia è costituita da elementi chimici in forma pura o in combinazione (composti)
Gli elementi non possono essere scomposti in altre sostanze, mentre un composto può contenere due o più elementi. Gli elementi essenziali per la vita sono Carbonio (C), Ossigeno (O), Idrogeno (H) e Azoto (N), costituiscono circa il 96% della materia vivente. Le proprietà di un elemento dipendono dalla struttura degli atomi di cui è costituito
La materia è composta da atomi. Ogni atomo consiste di un nucleo carico positivamente in cui si trovano protoni e neutroni, circondato da elettroni carichi negativamente che sono localizzati in orbitali attorno al nucleo.
Un elemento è costituito da un solo tipo di atomi ed è caratterizzato da un numero unico di protoni
Un atomo perdendo, acquisendo o mettendo in condivisione i suoi elettroni per diventare più stabile si può combinare con altri atomi e formare delle MOLECOLE. Gli atomi formano le molecole costituendo tra loro dei LEGAMI
La struttura molecolare dell’acqua e la sua capacità di formare legami ad idrogeno conferiscono alla molecola di acqua proprietà uniche e caratteristiche che sono importantissime per la vita.
I legami ad idrogeno tra molecole di acqua vicine sono alla base delle proprietà uniche dell’acqua
Quando le sostanze sono disciolte in acqua si dice che si forma una SOLUZIONE. La maggior parte delle sostanze biologiche sono disciolte in acqua a concentrazioni molto molto basse. Distinzione tra sostanze IDROFILE e IDROFOBE.
Gli organismi sono sensibili a condizioni di acidità o basicità. Quando una molecola di acqua trasferisce uno ione H+ ad un’altra molecola di acqua aumenta la carica positiva di quella soluzione cioè aumenta l’acidità della soluzione.
Gli acidi sono quei composti che in soluzione cedono ioni idrogeno. Le basi invece sono sostanze che accettano ioni idrogeno. I valori di pH inferiori a 7 indicano che quella soluzione è acida, mentre valori di pH superiori a 7 indicano che la soluzione è basica. Valori di pH = 7 indicano che la soluzione è neutra.
Effetti dell’inquinamento sull’acqua:
Combustione di carburanti fossili libera nell’atmosfera composti gassosi tra cui CO2 (anidride carbonica), la reazione di questi composti gassosi con l’acqua determinano alterazioni del pH e della temperatura dell’acqua
La combustione di carburanti fossili è fonte anche di ossidi di zolfo e di azoto la cui reazione con l’acqua nell’aria determina la formazione di acidi forti che poi cadono a terra con la pioggia (precipitazioni acide). Le precipitazioni acide possono danneggiare la vita nei laghi , nei fiumi, e influenzano il suolo e di conseguenza la vegetazione. Il rilascio di CO2 rappresenta il problema principale, impedisce la dispersione di calore verso lo spazio esterno all’atmosfera, quando si scioglie nel mare ne determina l’acidificazione. Problema molto importante da risolvere se si considera il continuo aumento dell’emissione di CO2
Ci sono quattro tipi di molecole che caratterizzano gli esseri viventi:
Ogni tipo di macromolecola può avere più funzioni non necessariamente esclusive, per esempio sia i carboidrati che le proteine possono avere un ruolo strutturale sostenendo e proteggendo gli organi e i tessuti
Solo gli acidi nucleici sono specializzati nella conservazione dell’informazione
Le funzioni delle macromolecole dipendono dalla loro struttura e dalla forma che assumono nello spazio
La maggior parte delle molecole biologiche sono dei POLIMERI prodotti attraverso l’assemblaggio di unità semplici che si chiamano MONOMERI
All’interno delle molecole biologiche ci sono gruppi di atomi che definiscono i cosiddetti GRUPPI FUNZIONALI. Ogni gruppo funzionale ha delle proprietà chimiche ben definite e conferisce queste caratteristiche alla molecola in cui si trova.
Dal momento che sono caratterizzate da grandi dimensioni, le macromolecole contengono un grande numero di gruppi funzionali di diverso tipo, questa diversità di proprietà determina la forma delle macromolecole e le loro interazioni con altre macromolecole con molecole più piccole.
I gruppi funzionali presenti nelle molecole dei monomeri possono mediare la formazione dei polimeri
I polimeri si formano a partire dai monomeri attraverso una serie di reazioni chiamate REAZIONI DI CONDENSAZIONE o DISIDRATAZIONE.
PROTEINE:
Ruolo di sostegno, strutturale, protezione, trasporto, catalisi, difesa, regolazione e movimento. I monomeri sono 20 amminoacidi Struttura molto complessa che ne determina la funzione
Gruppo amminico Gruppo carbossilico
Per il legame di due amminoacidi i gruppi funzionali reattivi sono il gruppo amminico e il gruppo carbossilico. La reazione di condensazione tra questi due gruppi determina la formazione di un LEGAME PEPTIDICO con liberazione di H2O.
CARBOIDRATI
Gli zuccheri, gli amidi e la cellulosa: costituiscono una riserva di energia, formati da C, H e O.
I monosaccaridi
Disaccaridi:
Monosaccaridi si uniscono a formare disaccaridi attraverso la formazione di LEGAMI GLICOSIDICI. Il legame glicosidico si instaura tra un gruppo ossidrilico (OH) su un monosaccaride e un gruppo ossidrilico (OH) sull’altro monosaccaride
Polisaccaridi: Sono più abbondanti (amidi, glicogeno, cellulosa) costituiti da unità ripetute di uno zucchero semplice (ad es. il glucosio) che possono formare catene lineari o ramificate, 2 tipi: se sono facilmente scindibili, hanno una funzione di riserva energetica.
Se non sono degradabili velocemente: funzione strutturale.
Amido: costituito da un’unità di glucosio (vegetali, riserva, accumulato nei plastidi). Amido si distingue in amilosio (non ram.) ed amilopectina (ram)più comune.
Glicogeno: forma di accumulo di glucosio nelle cellule animali. Molto ramificato, è più idrosolubile rispetto all’amido vegetale.
Cellulosa: il più abbondante dei polisaccaride,insolubile, ruolo strutturale, insolubile, l’uomo e la > parte degli animali non possiedono enzimi per idrolizzarla.
LIPIDI:
Sono solubili in solventi apolari e insolubili in H20. Costituiti di C e H poco O. Tra i lipidi più importanti ci sono i grassi neutri, i fosfolipidi, gli steroidi, i carotenoidi, e le cere. Funzioni: Carburanti biologici, Composti strutturali nelle membrane biologiche, Ormoni.
Trigliceridi: Grassi e oli. Sono i lipidi più abbondanti negli esseri Viventi. Riserva di Energia (più del doppio dei carboidrati). Sono costituiti da ACIDI GRASSI + GLICEROLO
Acidi grassi: possono essere SATURI o INSATURI. Gi acidi grassi sono ottimi depositi di energia
Alcune classi di lipidi non sono basate sulla struttura glicerolo-acido grasso, ma poiché sono costituite in larga parte da Carbonio e idrogeno, queste molecole sono classificate come lipidi
Tra questio lipidi troviamo: CAROTENOIDI, STEROIDI, VITAMINE, CERE
STRUTTURE CHE CARATTERIZZANO LE CELLULE
CELLULA PROCARIOTA
CELLULA EUCARIOTA
Il batterio Pseudomonas aeruginosa illustra la struttura di una cellula procariotica: Flagello e capsula di peptidoglicano sono caratteristiche esclusive dei procarioti. La membrana più esterna è presente solo in alcuni batteri.
CELLULA ANIMALE
*la cromatina densa (scura) vicino all’involucro nucleare è attaccata alla lamina nucleare. La cromatina dispersa (chiara) è presente nel nucleoplasma.
Il nucleoplasma è costituito da:
La membrana nucleare mantiene il compartimento nucleare libero dagli organuli citoplasmatici.
Il reticolo endoplasmatico rugoso è costellato di ribosomi che sono i siti della sintesi proteica. Essi sono responsabili del suo aspetto rugoso.
Nel reticolo endoplasmatico liscio avvengono la sintesi dei lipidi e alcune modificazioni chimiche delle proteine
L’apparato di golgi elabora e impacchetta le proteine:
fagocitosi -> il lisosoma digerisce materiale alimentare => il lisosoma contiene enzimi idrolitici. Il vacuolo alimentare si fonde col lisosoma. Gli enzimi idrolitici digeriscono le particelle alimentari.
Autofagia -> il lisosoma si fonde con una vescicola contenente organelli danneggiati. Gli enzimi idrolitici digeriscono i componenti degli organelli.
Produzione di proteine:
Traffico vescicolare all’interno del citoplasma -> il RE e il complesso di golgi fanno parte del sistema di endomembrane, che libera le proteine ed altre molecole nell’ambiente extracellulare e raccoglie le sostanze provenienti dall’ambiente esterno
mitocondri ->
Citoscheletro:determina la forma, dà sostegno e fornisce alla cellula la capacità di muoversi. Costituito da: Microtubuli (assemblato a partire da sub unità di tubolina), Microfilamenti (costituito da due filamenti di actina avvolti uno sull’altro a formare una doppia elica), Filamenti Intermedi (ogni singola sub unità di filamento, è formata da otto filamenti proteici avvolti assieme).
Molte cellule animali sono in contattto con la matrice extracellulare. Questa matrice è costituita da proteine fibrose come ad esempio il COLLAGENE, da glicoproteine chiamate proteoglicani e da altre proteine fibrose. Tutte queste proteine, insieme ad altre sostanze specifiche per certi tessuti corporei, vengono secrete dalle cellule presenti dentro o vicino alla matrice
Le funzioni della matrice extracellulare sono numerose:
La quantità di matrice cellulare varia a seconda del tessuto. Nel tessuto nervoso la matrice è scarsa, mentre nel tessuto osseo e cartilagineo la matrice è molto abbondante.
CELLULA VEGETALE
Caratteristiche distintive delle cellule vegetali:
Plastidi
Organuli formati da DNA, RNA e ribosomi, delimitati da una doppia membrana e contenenti sistemi di membrane interne. Si dividono in:
Nel cloroplasto => l’ATP viene usato per convertire CO2 in glucosio nello stroma, la regione all’estremo della membrana dei tilacoidi. Le membrane tilacoidi sono i siti dove l’energia luminosa viene raccolta dal pigmento verde e convertita in ATP. Una pila di tilacoidi è detta Granum
Vacuoli
Sacculi contenenti liquido. Occupano quasi tutto il volume della cellula vegetale: consentono alla cellula di ingrandirsi senza produrre sostanze: risparmio di energia. Riserva di acqua importante nei periodi di siccità. La membrana che riveste il vacuolo si chiama tonoplasto che consente al vacuolo di contenere all’interno materiale alimentare, pigmenti antocianinici, sali, scorie, enzimi digestivi,sostanze tossiche.
Parete cellulare
Riveste la membrana plasmatica, mantiene la conformazione della cellula, cementa tra di loro cellule adiacenti definendo la struttura della pianta. Costituita da cellulosa e da altre fibre, consente il passaggio di acqua e di piccole molecole, rigida da sostenere la pianta ma flessibile per consentire alla pianta di piegarsi senza rompersi.
LA MEMBRANA CELLULARE
Le membrane cellulari: delimitano i contorni della cellula e dei suoi diversi compartimenti interni
Funzioni della membrana:
La membrana plasmatica è una barriera di permeabilità. Permeabilità selettiva a determinate sostanze. Divisione in compartimenti funzionali.
Composizione delle membrane biologiche: lipidi; proteine; carboidrati.
Le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato fosfolipidico. Il doppio strato fosfolipidico definisce la struttura della membrana ed è costituito da molecole antipatiche.
Aggiunta di colina alla struttura acido grasso/glicerolo: FOSFOLIPIDE
Le code degli acidi grassi di membrana formano una barriera idrofobica per la diffusione delle sostanze solubili in acqua (polari).
Le code non polari i idrofobe degli acidi grassi interagiscono reciprocamente. Le teste idrofile e dotate di carica (polari) interagiscono con le molecole d’acqua, anch’esse polari.
Le catene di acidi grassi che compongono i fosfolipidi possono variare in lunghezza, per grado di insaturazione (presenza di doppi legami) e presenza di gruppi polari (gruppi fosfato). Il doppio strato fosfolipidico stabilizza l’intera struttura della membrana lasciandola tuttavia flessibile ma non rigida
Fluidità di membrana: La temperatura è un importante fattore che regola la fluidità di membrana, infatti al variare della temperatura si assiste ad una differente motilità delle catene di atomi di carbonio dei fosfolipidi. Temperature basse: minore mobilità; Temperature più alte: maggiore fluidità
Un altro fattore che regola la fluidità di membrana è la lunghezza delle catene di acidi grassi. Se sono corte la fluidità èmaggiore. La presenza di acidi grassi insaturi favorisce la fluidità della membrana. Una scarsa quantità di colesterolo favorisce la fluidità della membrana
Maggiore fluidità, maggior movimento dei fosfolipidiCome si muovono i fosfolipidi? 3 modi:
Tutte le membrane biologiche contengono proteine. Possiamo distinguere le proteine di membrana in base alla loro localizzazione nel doppio strato in PROTEINE INTEGRALI e PROTEINE PERIFERICHE
Proteine integrali ->
Proteine periferiche ->
Le membrane sono strutture estremamente dinamiche e possson0 formarsi continuamente, trasformarsi da un tipo in un altro, fondersi l’una con le altre e frammentarsi.
Oltre a lipidi e proteine, molte membrane contengono notevoli quantità di carboidrati. Questi carboidrati sono localizzati sul versante esterno della membrana e funzionano come siti di riconoscimento.
I carboidrati possono essere associati sia a lipidi che a proteine
Come è possibile tenere insieme le cellule di un tessuto?
In entrambi questi processi la membrana plasmatica gioca un ruolo fondamentale. il riconoscimento tra cellule avviene grazie a glicoproteine di superficie.
In un organismo pluricellulare complesso, oltre alle glicoproteine che permettono a certi tipi di cellule di legarsi tra loro dopo riconoscimento, spesso le cellule stesse forniscono materiale per strutture di membrana aggiuntive per permettere la loro connessione
Queste strutture si chiamano GIUNZIONI CELLULARI e sono particolarmente evidenti nei tessuti epiteliali. Tre diversi tipi di giunzioni: GIUNZIONI OCCLUDENTI, DESMOSOMI, GIUNZIONI SERRATE.
Le giunzioni occludenti sono strutture specializzate che uniscono cellule epiteliali limitrofe formando una serie di punti di collegamento tra le due cellule. Impediscono alle sostanze di muoversi in modo incontrollato attraverso gli spazi intercellulari. Ad esempio nel lume intestinale queste giunzioni fanno si che tutte le sostanze presenti nel lume passino attraverso le cellule intestinali. Le proteine delle giunzioni colludenti formano una sorta di “superficie trapuntata” che impedisce il movimento delle sostanze disciolte attraverso lo spazio fra le cellule epiteliali
I desmosomi uniscono le membrane di cellule adiacenti e mantengono le cellule strettamente unite con un meccanismo paragonabile ai punti di sutura. Ogni desmosoma è formato da una struttura definita PLACCA a cui sono legate proteine di adesione che fanno da ponte. Dalla placca si dipartono fibre citoplasmatiche di cheratina che danno stabilità alla giunzione. I desmosomi collegano strettamente cellule adiacenti, ma permettono in movimento di materiali all’interno dello spazio intercellulare
Le giunzioni serrate facilitano la comunicazione tra cellule Sono costituite da particolari proteine canali chiamate CONNESSONI che attraversano le membrane plasmatiche di due cellule vicine e il relativo spazio intercellulare, permettendo il passaggio di piccole molecole e ioni. Le giunzioni serrate consentono la comunicazione tra cellule adiacenti.
Funzioni delle membrane:
MECCANISMI DI TRASPORTO ATTRAVARSO LA MEMBRANA
OMEOSTASI: Processo attraverso cui viene mantenuto un ambiente interno consono per il mantenimento della vita. La cellula muta quindi in continuazione per mantenere costanti le condizioni.
Ogni cosa in natura è in movimento e una conseguenza di questo movimento casuale è che all’interno della soluzione tutte le molecole tendono a raggiungere una distribuzione uniforme
Una soluzione in cui le particelle di soluto sono uniformemente distribuite viene definita in EQUILIBRIO
La diffusione è il processo di movimento casuale verso lo stato di equilibrio e più specificatamente la diffusione è il movimento netto di particelle da regioni a concentrazione maggiore a regioni a concentrazione minore.
La velocità con cui una sostanza diffonde dipende essenzialmente da 4 fattori:
All’interno delle cellule, o quando le distanze da percorrere sono molto piccole, i soluti si distribuiscono rapidamente per diffusione. La diffusione come meccanismo di trasporto non è efficiente per lunghe distanze.
In una soluzione priva di barriere, tutti soluti diffondono ad una velocità determinata dalla temperatura, dal gradiente di concentrazione e dalle loro proprietà fisiche. Se una soluzione è divisa dalla presenza di una membrana il movimento dei soluti dipende dalle proprietà della membrana che viene definita PERMEABILE o IMPERMEABILE ai soluti che la attraversano.
Diffusione di soluti attraverso la membrana => spostamento da una parte all’altra per raggiungere un equilibrio di concentrazione
Passaggio di acqua attraverso una membrana semipermeabile: osmosi, diffusione dell’acqua.
Tra due soluzioni quella a maggior concentrazione viene definita ipertonica, quella a minore ipotonica. Soluzioni che hanno la stessa concentrazione sono definite isotoniche.
L’acqua si sposta, attraverso la membrana da una soluzione ipotonica verso una soluzione ipertonica
Le sostanze possono essere trasportate da un lato all’altro della membrana secondo due meccanismi di trasporto:
Le molecole idrofobe e quelle polari di dimensioni molto piccole possono diffondere liberamente attraverso il doppio strato attraverso un meccanismo che si chiama DIFFUSIONE È un tipo di trasporto passivo
TRASPORTO PASSIVO: le molecole diffondono spontaneamente secondo il loro gradiente di concentrazione, attraverso la membrana attraverso la membrana senza alcuna spesa energetica
Le sostanze polari, gli zuccheri e gli ioni attraverso la membrana? Due possibilità:
In questo caso si parla di DIFFUSIONE FACILITATA, sempre per gradiente di concentrazione, quindi è un tipo di trasporto passivo
È un tipo di trasporto passivo perchè avviene secondo gradiente di concentrazione.
MECCANISMO DI TRASPORTO PASSIVO
Diffusione facilitata di ioni attraverso le membrane secondo gradiente di concentrazione
Canali ionici -> I canali ionici possono esistere sia in una forma aperta che chiusa. Che cosa regola l’apertura o la chiusura?
Canale ligando dipendente: una certa sostanza polare è più concentrata sul lato esterno della cellula rispetto a quello interno. Il legame con la molecola stimolo determina l’apertura del poro e la sostanza polare può diffondere attraverso la membrana.
Le proteine di trasporto facilitano la diffusione di sostanze di maggiori dimensioni sempre secondo gradiente di concentrazione
TRASPORTO ATTIVO contro gradiente di concentrazione con apporto di energia. Necessità di proteine trasportatrici.
Alcune proteine di trasporto funzionano come pompe, spostando sostanze chimiche attraverso la membrana contro il loro gradiente di concentrazione (o elettrochimico). L’energia necessita per questo tipo di lavoro è fornita dall’ATP.
Esistono due diversi tipi di trasporto attivo:
POMPA Na+-K+
Trasporto attivo primario: la pompa protonica; la pompa sodio potassio sposta Na+, utilizzando l’energia derivata dall’idrolisi di ATP per stabilire un gradiente di concentrazione di Na+
Trasporto attivo secondario: gli ioni sodio, muovendosi secondo il gradiente di concentrazione instauratasi attraverso la pompa sodio potassio, determinano il trasporto del glucosio contro il suo stesso gradiente di concentrazione.
Come avviene il passaggio di grosse molecole attraverso la membrana?
ENDOCITOSI è un termine generico riferito a un tipo di processo con cui piccole molecole, grandi molecole, grandi particelle e persino piccole cellule possono entrare nella cellula eucariotica
Tre diverse forme di endocitosi:
ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORI
Perché questo tipo di endocitosi avvenga è necessaria la presenza di proteine particolari sulla membrana. Queste proteine si chiamano proteine recettoriali ovvero proteine integrali di membrana in grado di legarsi a molecole presenti nell’ambiente. Queste proteine sono localizzate in siti specifici della membrana definiti come FOSSETTE. La membrana di queste fossette è rivestita sul lato citoplasmatico da proteine peculiari come la CLATRINA. La struttura endofitica formatasi prende il nome di FOSSETTA RIVESTITA
DNA e duplicazione del DNA
Il materiale genetico deve essere capace di:
Livelli di struttura del DNA
DNA:
RNA
Sistema di numerazione convenzionale
Filamenti
Il DNA è un Doppio filamento , a elica. Lo scheletro è costituito dalla coppia zucchero-fosfato; le basi sono all’interno. È stabilizzato da legami ad idrogeno. Le coppie di basi con appaiamento specifico
Regola AT/GC o di Chargaff
10 paia di basi per giro
I 2 filamenti di DNA sono complementari
I 2 filamenti sono anti-paralleli
Duplicazione => Sono stati proposti alla fine del 1950 3 modelli diversi per la duplicazione del DNA:
I filamenti di nuova generazione sono i filamenti figli. I filamenti originari sono i filamenti parentali.
Durante la duplicazione i 2 filamenti parentali si separano e funzionano da filamenti stampo. I nuovi nucleotidi devono obbedire alla regola AT/GC . Alla fine si producono 2 nuove doppie eliche con la stessa sequenza di basi dell’originale
L’Origine di duplicazione rappresenta il Sito di inizio per la duplicazione. La Duplicazione è bi-direzionale e procede verso l’esterno in direzioni opposte. I batteri hanno una sola origine di replicazione, mentre gli eucarioti richiedono origini multiple
L’origine di duplicazione fornisce un’apertura che si chiama bolla di duplicazione da cui partono due forche di replicazione. La duplicazione del DNA avviene in prossimità della forca.
DNA elicasi -> Si lega al DNA e viaggia da 5’ a 3’ usando ATP per separare il filamento e muovere la forca in avanti
DNA topoisomerasi ->Svolge l’ulteriore avvolgimento davanti alla forca di duplicazione
Proteine che si legano al filamento singolo -> Mantengono i filamenti parentali aperti per poter agire da stampo
DNA polimerasi ->Lega in modo covalente i nucleotidi desossinucleosidi trifosfato ->Nucleotidi liberi con 3 gruppi fosfato ->La rottura del legame covalente rilascia pirofosfato (2 gruppi fosfato) fornendo energia per connettere i nucleotidi adiacenti
Il DNA polimerasi è capace di legare in modo covalente i nucleotidi tra loro a partire da un primer. Il DNA polimerasi può legare i nucleotidi sono il direzione 5’ a 3’
La sintesi inizia con un primer. Procede da 5’ a 3’ Il filamento guida è sintetizzato in direzione della forca che si muove ed è sintetizzato come una lunga molecola singola.
DNA polimerasi possiede 2 caratteristiche enzimatiche che spiegano perché il filamento guida e ritardato sono duplicati diversamente: La DNA polimerasi è incapace di iniziare la sintesi di DNA su un filamento stampo nudo
Di conseguenza, la DNA primasi deve fare un corto primer di RNA che sarà poi rimosso e sostituito successivamente con DNA: La DNA polimerasi può funzionare soltanto in direzione 5’ to 3’
Nel filamento guida
Nel filamento ritardato
La duplicazione del DNA è molto accurata e questo è dovuto principalmente per tre motivi:
La famiglia delle DNA polimerasi
Un particolare tipo di duplicazione avviene in prossimità dei telomeri. I telomeri sono una serie di sequenze ripetute all’interno del DNA situate alla fine del cromosoma. I telomeri al 3’ non hanno un filamento complementare e questa regione è chiamata sporgenza al 3’
DNA polimerasi non può copiare la punta del filamento di DNA con l’estremità 3’, non c’è spazio per sintetizzare un primer a monte. Se questo problema di replicazione non si risolve, i cromosomi lineari diventano progressivamente più corti.
Telomerasi impedisce l’accorciamento di cromosomi , attacca molte copie di sequenze ripetute di DNA alle estremità dei cromosomi, fornisce un sito a monte per il primer di RNA.
Le cellule dell’organismo hanno una determinata durata di vita. Un campione di pelle cresciuto in una piastra si duplica un numero finito di volte: nei bambini circa 80 volte, negli adulti da 10 a 20 volte. Le cellule senescenti hanno perso la capacità di dividersi.
L’accorciamento progressivo dei telomeri correla con la senescenza cellulare. La Telomerasi è presente in cellule della linea germinale e nelle cellule somatiche che si dividono rapidamente. La funzione della telomerasi si riduce con l’età. L’inserimento di un gene di telomerasi altamente attivo in cellule di laboratorio determina la loro continua divisione
Telomeri e cancro
Come si passa dall’informazione contenuta nel DNA alle proteine?
Gene = unità ereditaria che contribuisce alle caratteristiche o tratti di un organismo. A livello molecolare, un gene è composto da sequenze organizzate di DNA
I geni contengono le informazioni necessarie per generare un organismo e per consentirne un’interazione favorevole con il suo ambiente. I geni strutturali codificano per polipeptidi.
Polipeptide: sequenza lineare di aminoacidi. Un polipeptide diventa l’unità funzionale di una proteina. Le attività di proteine determinano la struttura e la funzione delle cellule. I tratti o caratteristiche di un organismo sono basate sulle attività cellulari.
L’espressione di un gene per diventare un polipeptide avviene in due tappe fondamentali.
Durante la TRASCRIZIONE l’informazione contenuta in una particolare sequenza di DNA (il gene) viene copiata nell’informazione corrispondente di una sequenza di RNA
Durante la TRADUZIONE questa sequenza di RNA viene tradotta nella sequenza di amminoacidi di un polipeptide
Dogma centrale :
Trascrizione => Produce una copia di RNA o trascritto di un gene. I geni strutturali generano un RNA messaggero (mRNA) che specifica la sequenza amminoacidica di un polipeptide
Traduzione => Processo di sintesi di un polipeptide specifico in un ribosoma
Questo è vero per gli eucarioti, ma non per il virus
Trascrizione
Cosa è necessario per trascrivere un gene?
L’enzima riconosce particolari basi all’interno della sequenza di DNA e vi si lega. Quando lo stampo si è legato la RNA polimerasi si “stringe” sul DNA mantenendolo a doppio filamento in un COMPLESSO CHIUSO.
Cambio di conformazione della RNA polimerasi determina la denaturazione di una breve sequenza di basi di DNA e la formazione di un COMPLESSO APERTO
Il complesso aperto rende le basi disponibili all’accoppiamento con i ribonucleotidi e quindi la sintesi di RNA
La trascrizione avviene in tre stadi
INIZIO DELLA TRASCRIZIONE: esiste una particolare sequenza sul DNA definita PROMOTORE che dà l’inizio alla trascrizione.L’RNA polimerasi si lega al PROMOTORE di un gene ed inizia a copiare la sequenza di DNA (filamento stampo) in una catena di RNA chiamata RNA messaggero.
ALLUNGAMENTO. Una volta legata al promotore, la RNA pol inizia l’allungamento, svolge il DNA di circa 10 nt alla volta e copia producendop un filamento 5’-3’. Aggiunge nucleotidi partendo dall’estremità 3’ dello stampo.
TERMINAZIONE. La polimerasi riconosce un segnale di terminazione di trascrizione costituito da una particolare sequenza di basi presente sul DNA. Il riconoscimento di questa sequenza determina il rilascio sia della molecola di RNA che del filamento stampo
Il gene da trascrivere è indicato dalla presenza del promotore che potrà essere su uno qualsiasi dei due filamenti. La sintesi di RNA avverrà sempre a partire dall’estremità 3’ del DNA.
Geni procariotici ed eucariotici I geni batterici sono rappresentati da una sequenza ininterrotta che codifica per una o più proteine. I geni eucariotici hanno sequenze codificanti (esoni) interrotte da sequenze non codificanti (introni). Nei procarioti le molecole di mRNA vengono legate dai ribosomi mentre vengono prodotte dall’RNA polimerasi, mentre negli eucarioti le fasi di trascrizione (nel nucleo) e traduzione (nel citoplasma) avvengono in modo temporalmente e spazialmente separato grazie alla presenza della membrana nucleare.
Maturazione dell’mRNA eucariotici I trascritti primari destinati a diventare mRNA subiscono delle modificazioni che vengono definite come processi di maturazione dell’RNA:
NB: l’mRNA dei procarioti non subisce queste modificazioni .
Un gene viene trascritto come pre-mRNA. Il pre-mRNA contiene sia introni che esoni. Gli introni sono sequenze trascritte ma non tradotte Gli esoni sono sequenze codificanti che si trovano nel mRNA maturo SPLICING: rimozione di introni e connessione di esoni Possono anche verificarsi altre modificazioni – aggiunte di code e cappucci In seguito a queste modificazioni: RNA maturo
Gli introni si trovano in molti geni eucarioti. Molto diffusi in eucarioti complessi. Il gene umano della distrofina ha 79 esoni e 78 introni. Gli introni sono rari in tutti i procarioti. Gli introni sono rimossi dal pre-mRNA eucariotico usando lo spliceosoma composto da snRNPs (snurps) RNA nucleare ed un set di proteine
RNA di un introne è definito da sequenze particolari nell’introne e ai confini introne-esone sito 5’ di splicing, sito 3’ di splicing. Le subunità dello spliceosoma riconoscono le sequenze introni che. Il legame fa sì che l’introne formi un‘ansa esterna. I due esoni sono portati più vicino tra loro
Splicing alternativo- funzione regolata dallo spliceosoma in modo che un singolo gene possa codificare 2 o più polipeptidi
L’mRNA quando ha subito questo processo di maturazione migra dal nucleo al citoplasma
Nella traduzione di un mRNA, che avviene in direzione 5’-3’, la sequenza nucleotidica viene letta in gruppi consecutivi di 3 nucleotidi chiamati TRIPLETTE.
L’mRNA è costituito da 4 nucleotidi diversi la cui combinazione potrà generare 64 diverse triplette o codoni.
Dal momento che gli amminoacidi sono solo 20, alcuni amminoacidi sono codificati da più triplette e 3 codoni corrispondono al segnale di stop della traduzione. Le tre lettere sono costituite da tre basi nucleotidiche che codificano per un dato amminoacido
Serie di triplette che codificano per 20 amminoacidi (più di una tripletta può codificare per un amminoacido). Il codice genetico è dindondante e degenerato, ma non ambiguo
Traduzione
mRNA è caratterizzato da:
Tipi di RNA: Nella sintesi proteica intervengono 3 diversi tipi di RNA.
Come viene tradotto il RNA in proteine? Richiede la presenza di una molecola che associa l’informazione contenuta nei codoni di mRNA a specifici amminoacidi che fanno parte delle proteine Questa funzione viene svolta dal tRNA e in particolare
Il codone sul mRNA e l’amminoacido corrispondente sono reciprocamente collegati per mezzo del tRNA, che funge quindi da ADATTATORE
Per ciiascuno dei 20 amminoacidi esiste almeno un tipo specifico di tRNA che trasporta l’amminoacido, si associa con molecole di mRNA ed è in grado di interagire con i ribosomi
La sua struttura si adatta per svolgere queste funzioni
Diverse molecole di RNAtransfer (tRNA) sono codificate da geni diversi. Sono tutte caratterizzate da:
Il caricamento di ciascun tRNA con il giusto amminoacido viene effettuato da una famiglia di enzimi definiti AMMINOACIL-tRNA-SINTETASI. Questo enzima catalizza l’attacco degli amminoacidi a tRNA L’enzima possiede un sito attivo formato da tre parti che riconosce tre molecole diverse:
Il riconoscimento del tRNA da parte dell’enzima è piuttosto specifico e caratterizzato da un basso tasso di errori. Anche il tasso di errore per il riconoscimento dell’amminoacido è molto basso
Dal momento che questi enzimi sono caratterizzati da una così alta specificità, il processo di caricamento dei tRNA viene talvolta definito come SECONDO CODICE GENETICI
Ribosomi
i ribosomi possiedono una forma irregolare e sono formati da due sub unità. Vi sono tre siti di legame per i tRNA. Le interazioni codone-anticodone tra tRNA e mRNA si verificano soltanto in corrispondenza dei siti P e A.
Stadi della Traduzione
Inizio
La sub unità minore del ribosoma si lega a una molecola di mRNA. In una cellula batterica, il sito di legame per l’mRNA di questa sub unità riconosce una specifica sequenza nucleotidica dell’mRNA posizionata a monte del codone di inizio. Un tRNA di inizio con l’anticodone UAC, specifico per l’amminoacido metionina, si appaia con il codone di inizio AUG.
L’arrivo della sub unità ribosomiale maggiore completa il complesso di inizio della traduzione. Le proteine note come fattori di inizio sono necessarie per assemblare tutti i componenti della traduzione. Il GTP favorisce l’energia richiesta per il processo di assemblaggio. Il tRNA di inizio è posizionato sul sito P; il sito A è disponibile per il tRNA che porta l’amminoacido successivo
Allungamento
Amminoacil tRNA porta un nuovo amminoacido al sito A. Il legame avviene per il riconoscimento codone/ anticodone. Fattori di allungamento idrolizzano GTP per fornire l’energia per legare il tRNA al sito A. Peptidil tRNA è nel sito P ; Amminoacil tRNA è nel sito A
Si forma un legame peptidico tra l’amminoacido nel sito A e la catena polipeptidica crescente. Il polipeptide è rimosso dal tRNA nel sito P e trasferito all’amminoacido nel sito A-reazione di trasferimento peptidico
Movimento o traslocazione del ribosoma di un codone verso l’estremità 3’ del mRNA :Spostamenti dei tRNA dai siti P ed A ai siti E e P; Il codone successivo è ora nel sito A; Il tRNA non carico esce dal sito E
Terminazione
Quando un ribosoma raggiunge un codone di stop sull’mRNA, il sito A viene occupato da una proteina di forma simile al tRNA, nota coem un fattore di rilascio, al posto di un amminoacil-tRNA
Il fattore di rilascio idrolizza il legame fra tRNA sul sito P e l’ultimo amminoacido della catena polipeptidica. Il polipeptide viene così liberato dal ribosoma
Le due sub unità ribosomiali e gli altri costituenti del complesso si dissociano
Polipeptide completato attaccato al tRNA nel sito P e codone di stop nel sito A. Il fattore di rilascio si lega al codone di stop nel sito A. Il legame tra polipeptide e tRNA è idrolizzato per rilasciare il polipeptide. Le subunità ribosomali e i fattori di rilascio si dissociano.
Numerosi ribosomi possono lavorare insieme simultaneamente per la traduzione di una singola molecola di mRNA. Si forma in questo modo un polisoma o poliribosoma con conseguente aumento della velocità della sintesi proteica
La sintesi proteica inizia sempre sui ribosomi liberi presenti nel citoplasma. Quando il polipeptide è stato prodotto, l’informazione contenuta nella sequenza amminoacidica fornisce due diverse possibilità
Dopo essere stato prodotto un polipeptide assume una certa conformazione nello spazio determinando l’esposizione di sequenze particolari di aminoacidi che funzionano da SEQUENZE SEGNALE. Queste sequenze permettono il legame a particolari proteine recettori che si chiamano PROTEINE DI ATTRACCO (proteine canale)
Prima che la traduzione sia terminata nel citoplasma la sequenza segnale si lega ad una particella di riconoscimento del segnale formata da proteine e da RNA
Quando la particella di riconoscimento del segnale si lega alla sequenza segnale, la traduzione si blocca fino a quando il ribosoma non si lega ad una particolare proteina recettoriale su ER. La proteina recettoriale viene convertita in una canale di membrana e la sintesi proteica riprende
La particella di riconoscimento del segnale si stacca e la proteina entra nel canale. La traduzione prosegue e la proteina può andare nel lume e quando la sintesi termina tutto il complesso si disaggrega Dal lume può passare al Golgi e subire le modificazioni post-traduzionali
Modificazioni post-traduzionali
LE MUTAZIONI
L’informazione contenuta nel DNA deve essere mantenuta integra in modo da trasmetterla alla prole.
Abbiamo già visto che durante la duplicazione del DNA, nonostante i numerosi controlli, si verificano in modo casuale e improvviso delle variazioni, modificazioni del materiale genetico che sono definite MUTAZIONI . Ogni tipo di variazione costituisce una “novità” contribuendo alla realizzazione dell’evoluzione biologica. Le novità infatti possono essere fonti di nuove potenzialità di adattamento alla specie, capacità riproduttive più idonee, migliore resistenza alla pressione selettiva dell’ambiente e quindi di modificare e migliorare le possibilità di sopravvivenza e la diffusione di una specie. Tutto definisce la VARIABILITA’
MUTAZIONE: evento casuale e stabile che produce un cambiamento del patrimonio genetico ed è quindi ereditabile.
Tale variazione nella maggior parte dei casi riguarda modificazioni a livello NUCLEOTIDICO, modificando il significato dell’informazione, oppure si può verificare a livello CROMOSOMICO, alterando la struttura dei cromosomi. Le variazioni possono anche essere a livello GENOMICO comportando un’alterazione del numero di cromosomi.
Le mutazioni possono insorgere nelle cellule somatiche oppure nelle cellule germinali
Una MUTAZIONE SOMATICA interessa una cellula somatica e quindi saranno mutate solo le cellule che derivano da questa cellula, la mutazione sarà ristretta all’individuo in cui è insorta e non verrà trasmessa alla progenie
Una MUTAZIONE GERMINALE interessa una cellula germinale, potrà essere trasmessa alla generazione successiva con la conseguenza evidente che tutte le cellule del nuovo organismo presenteranno tale mutazione e questa verrà comunque trasmessa a tutte le ulteriori generazioni successive
MUTAZIONI PUNTIFORMI
L’alterazione della sequenza nucleotidica di un gene viene definita mutazione genica, ma poiché può interessare anche porzioni introniche, la definizione corretta è mutazione puntiforme. Questo termine comprende la variazione in un punto (singolo nucleotide) sia nella porzione codificante che non codificante.
Tipi di mutazione puntiforme:
L’effetto prodotto sarà variabile sia per entità e rilievo
Mutazioni puntiformi per sostituzione di base (nucleotide): 2 tipi: transizione o trasversione
Le mutazioni per sostituzione possono anche essere classificate in base all’effetto fenotipico che producono.
MUTAZIONE DI SENSO quando la sostituzione ha come conseguenza il cambiamento di un codone sul messaggero e quindi l’inserimento di un aminoacido nella catena polipeptidica che non era presente prima della mutazione. L’effetto sulla proteina dipenderà dal tipo dell’aminoacido introdotto e dalla posizione nella catena in cui è avvenuta la sostituzione
Esempio: mutazione per sostituzione a livello del gene dell’emoglobina normale (HbA) che produce una variante detta HbS. Questa mutazione per sostituzione è responsabile dell’anemia falciforme.
La mutazione comporta la presenza di valina al posto di acido glutammico, perché in seguito alla sostituzione cambia il codone sul messaggero
In altri casi la mutazione è definita NON SENSO (nonsense) quando la sostituzione determina la formazione sul messaggero di un codone di STOP al posto di una tripletta codificante.
Terminazione prematura della catena polipeptidica. Le conseguenze di una mutazione NON SENSO sono spesso gravi, e la gravità è tanto maggiore quanto più è corto il polipeptide tradotto.
Mutazione NEUTRA: la sostituzione di una tripletta con un’altra che codifica per un aminoacido con le stesse caratteristiche chimico-fisiche di quello nativo per cui non viene alterata la struttura della proteina che mantiene il corretto funzionamento.
In alcuni casi, la sostituzione determina per la degenerazione del codice genetico la generazione di un codone che codifica per lo stesso aminoacido: MUTAZIONE SILENTE.
Le mutazioni per inserzione o per delezione causano le mutazioni FRAMESHIFT o di scivolamento della cornice di lettura. Queste mutazioni sono chiamate in questo modo perché in seguito al semplice inserimento o eliminazione di un nucleotide, comporta una sfasatura della lettura del messaggero nel ribosoma, a partire dalla mutazione in poi.
Sintesi di una catena polipeptidica non del tutto funzionale o produzione di un frammento polipeptidico tronco se si forma un codone di STOP prematuro.
Le mutazioni possono essere SPONTANEE o INDOTTE. Gli agenti responsabili di mutazioni sono detti MUTAGENI
Oggi siamo in grado di interpretare come insorgono molte mutazioni spontanee: molte volte derivano da errori durante la replicazione del DNA che sfuggono ai meccanismi cellulari di riparazione (es. meccanismo di correzione delle bozze) -. Errori quindi casuali.
La frequenza di mutazione spontanea è dipendente dalla costituzione genica di ogni individuo. Bisogna considerare che alcune parti del genoma sono più “mobili” e quindi più soggette a mutazione.
Frequenza di mutazione: numero di volte in cui una detta mutazione si verifica in una data popolazione di cellule o di individui.
Tasso di mutazione è invece la probabilità che una particolare mutazione si verifichi nel tempo. Nell’uomo il tasso di mutazione spontanea per geni singoli è compreso in un range che va da 10-4 a 10-6 per gene per generazione.
Errori durante la replicazione del DNA. L’apparato replicativo non è solo impegnato nella polimerizzazione di nucleotidi ma anche nel controllo qualitativo dell’intero processo.
Le basi possono esistere in due forme: una normale che si appaia alla sua complementare mediante ponti ad idrogeno, l’altra, TAUTOMERICA, che è rara e soprattutto transitoria che si appaia in modo non canonico. Per esempio l’adenina in forma tautomerica si appaia alla citosina invece che alla timina. Ne consegue che a causa di inserzioni di basi tautomeriche non è possibile rilevare l’errore, quindi si verifica una mutazione.
Meccanismi addizionali di insorgenza di mutazioni spontanee sono la conseguenza di danni del DNA quali la DEPURINAZIONE e la DEAMINAZIONE di alcune basi. Questo danneggiamento se non viene riparato è fonte di mutazione perché mancando una base azotata, nella replicazione successiva in quella posizione può essere inserito un nucleotide qualsiasi.
Deaminazione delle basi può avere conseguenze gravi, talvolta irreparabili per l’organismo. Deaminazione di C produce U. L’Uracile è visto come estraneo al DNA e il danno viene riparato.
Se viene deaminata una metilcitosina si produce Timina. Il cambiamento non viene riconosciuto e quindi non riparato. Nei punti in cui esiste 5-metilcitrosina: elevato tasso di mutazione. Punti caldi del genoma.
MUTAZIONI INDOTTE.
L’insorgere di mutazioni, la nascita di un equilibrio tra il nuovo fenotipo e l’ambiente, la frequenza di variazione rappresentano un compromesso tra evoluzione biologica e novità generate da mutazioni.
Questo compromesso è costantemente sottoposto a “verifica” e sottoposto nel tempo a forze selezionatrici. Solo dopo a questo controllo costante le “novità” vengono stabilizzate. Il tasso di mutazione viene incrementato decisamente se l’organismo è sottoposto ad agenti mutageni. I mutageni possono essere chimici o fisici. Qualsiasi agente in grado di aumentare il tasso di mutazione spontanea è definito MUTAGENO.
Mutageni chimici
Discreto grado di specificità, anche se alcuni mostrano un’elevata capacità di selezione del bersaglio e di modificarlo. Agiscono con meccanismi molteplici, generalmente interagendo direttamente con le molecole di DNA e che favoriscono l’insorgenza di errori durante la replicazione, e/o danneggiando la catena stampo.
Agenti alchilanti:inducono mutazioni in seguito a metilazione. Modificando le basi presenti sul DNA, questi agenti fanno in modo che queste basi si comportino in modo diverso, favorendo la formazione di coppie di basi non canoniche
Agenti intercalanti: si inseriscono nella sequenza nucleotidica del DNA, perché sono molecole a tre anelli molto simili nella struttura e dimensione ad una coppia di basi purina-pirimidina.
Effetto dell’agente intercalante: Inserzione o Delezione di base.
AGENTI MUTAGENI FISICI
Hanno sempre un ampio spettro d’azione potendo agire direttamente o indirettamente sulla molecola di DNA e in particolare sulle basi azotate. Riescono anche a modificare la struttura dei cromosomi e dell’apparato di divisione cellulare. Azione più nascosta rispetto ai mutageni chimici, è più difficile identificare la fonte mutagena e la conseguente mutazione
Esempio: LUCE ULTRAVIOLETTA. Le radiazioni UV con l 260 nm, vengono assorbite principalmente dalle basi azotate che vengono modificate producendo dimeri tra anelli pirimidinici adiacenti: DIMERI DI TIMINA . Se riparati, nessun danno. Se non riparati si blocca la replicazione. La capacità di riparazione dipende dalla dose che induce il danno.
Sistemi di riparazione del DNA: sistemi che i sistemi hanno evoluto per evitare i danni causati da mutazioni Identificano e correggono queste mutazioni Alcuni funzionano durante la replicazione del DNA, altri agiscono dopo Quando la cellula invecchia questi sistemi di riparazione funzionano molto più lentamente, non tiene il passo all’insorgenza di mutazioni La cellula ha tre possibilità
Sistemi di riparazione dei dimeri di timina: FOTOLIASI che rompe il dimero formatosi in seguito a radiazione UV.
Danno e riparo di un singolo filamento -> Solo uno dei due filamenti di DNA ha subito un danno
Meccanismo di riparo è definito: Meccanismo di riparo per escissione di base che si attua in tre fasi diverse.
Riparo per escissione di nucleotidi o NER: risolve un danno che coinvolge 2-30 nucleotidi, danni che solitamente comportano una distorsione voluminosa dell’elica (come ad esempio nel caso della formazione dei dimeri di Timina)
LA REGOLAZIONE GENICA
La regolazione genica si riferisce alla capacità delle cellule di controllare il loro livello di espressione genica. I geni strutturali sono regolati in modo tale che le proteine siano prodotte soltanto ad un tempo specifico e in quantità specifica.
Regolazione genica nei procarioti I procarioti conservano l’energia e le risorse producendo le proteine soltanto in caso di necessità quindi il contenuto proteico di un batterio può variare repentinamente inseguito a variazioni dell’ambiente I procarioti possono inibire la produzione di una proteina necessaria in diversi modi:
Indipendentemente dal meccanismo usato per bloccare una proteina la cellula procariota deve essere in grado di: Rispondere a segnali ambientali; Deve essere estremamente efficiente. La regolazione dell’espressione genica nei procarioti permette di RISPARMIARE ENERGIA.
Avviene più comunemente a livello della trascrizione:
tramite controllo della velocità di mRNA tradotto regolazione a livello di proteina o post-traduzionale
Regolazione trascrizionale nei batteri
Fattori di trascrizione: sono molecole che agiscono come repressori o induttori legandosi in prossimità del promotore
L’inibizione sul promotore da parte del repressore può essere eliminata in seguito al legame di una piccola molecola di effettore con il repressore: questo determina un CAMBIO DI CONFORMAZIONE che rilascia il repressore dal promotore.
I fattori di trascrizione sono costituiti da DOMINI: sequenze particolari con cui legano il DNA e la molecola di effettore.
Operone
Operone lac
•Vicino al promotore lac ci sono 2 siti regolatori
L’allolattosio è una piccola molecola effettrice
L’operone Lac è soggetto ad un controllo positivo ad opera di una Proteina Attivatrice: Proteina CAP
Esempio di controllo positivo
L’operone Lac è soggetto ad un controllo negativo ad opera del glucosio: il prodotto di degradazione del lattosio. Il glucosio reprime l’operone lac
Il glucosio inibisce la produzione di cAMP e così impedisce il legame di CAP al DNA
In presenza di glucosio l’operone lac è spento
Quando sia il lattosio che il glucosio sono alti, l’operone lac è spento
Quando il lattosio è alto e il glucosio è basso, l’operone lac è acceso
Operone trp
In E. coli, codifica per gli enzimi richiesti per sintetizzare l’amminoacido triptofano. Regolato da una proteina repressore codificata dal gene trpR. Il legame del repressore trp al sito dell’operatore inibisce la trascrizione
Quando i livelli di triptofano sono bassi, il repressore trp non può legarsi al sito dell’operatore ed i geni dell’operone sono trascritti . Quando i livelli di triptofano sono alti, il triptofano spegne l’operone trp . Il triptofano agisce come una piccola molecola effettrice o corepressore
Il repressore lac lega il suo operatore in assenza della sua piccola molecola effettrice
Il repressore trp lega il suo operatore solo in presenza della sua piccola molecola effettrice
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
è utile oltre che per rispondere all’ambiente anche per la regolazione di:
Serve per generare ad esempio i diversi tipi di cellule
La regolazione genica negli eucarioti può verificarsi in punti diversi
Regolazione genica di eucarioti : Regolazione trascrizionale comune.Processamento di RNA. Traduzione. Post-traduzione
Regolazione della trascrizione negli eucarioti ->
Segue alcuni dei principi dei procarioti
Molte differenze importanti
Controllo dell’espressione genica negli eucarioti
Il controllo trascrizionale dipende sulla presenza di due componenti fondamentali:
Le sequenze specifiche di DNA, sono generalmente costituite da meno di 20 nucleotidi e servono da sito di riconoscimento e legame per proteine regolatrici specifiche. Le proteine regolatrici contengono motivi strutturali che leggono specifiche sequenze di DNA
Geni strutturali degli eucarioti
3 caratteristiche presenti nella maggioranza dei promotori
Sono necessarie 3 proteine per la trascrizione
FATTORI DI TRASCRIZIONE
Si legano prima i fattori di trascrizione al TATA box e solo in seguito la RNA polimerasi
Il primo a legarsi è il fattore di trascrizione TFIID inducendo un cambiamento di conformazione sia di se stesso che del DNA che determina l’esposizione di nuovi siti di legame sul fattore e sul DNA. Questi fattori aggiuntivi si legano , si forma un complesso di trascrizione e solo dopo si ha il legame della RNA polimerasi
PROTEINE REGOLATRICI -> Le sequenze regolatrici sono situate immediatamente a monte del promotore
A queste sequenze regolatrici possono legarsi diverse proteine; il complesso che ne risulta si lega al complesso di trascrizione adiacente, attivandolo.
Molto più distante dal promotore si trovano altre sequenze amplificatrici, che legano proteine attivatrici, stimolando fortemente la trascrizione. Il meccanismo con cui queste proteine attivatrici riescano a stimolare la trascrizione sembra essere dovuto al fatto che inducono un ripiegamento del DNA che porta la proteina attivatrice a contatto con il complesso di trascrizione Allo stesso modo si comportano sequenze silenziatrici che lagno invece proteine repressori con la conseguente riduzione dell’attività trascrizionale.
La regolazione e la coordinazione dell’espressione genica richiedono il legame al DNA da parte di numerose proteine specializzate.
Le proteine che si legano al DNA sono caratterizzate da quattro moduli strutturali conservati che sono coinvolte nel legame della proteina al DNA. Questi motivi permettono alle proteine di legarsi in modo efficace al DNA
Come possono le cellule eucariote coordinare la regolazione di molti geni, la cui trascrizione deve essere attivata contemporaneamente?
I geni negli eucarioti possono trovarsi in posizioni molto distanti sullo stesso cromosoma o su cromosomi diversi. La regolazione avviene contemporaneamente se i diversi geni hanno le stesse sequenze regolatrici che si legano alle stesse proteine regolatrici. Ese. Risposta di un organismo allo stress
Un altro modo per regolare l‘espressione dei geni in cellule specifiche è quello di modulare l’espressione dei fattori di crescita.
Esempio: Sia le cellule epatiche che quelle del cristallino dell’occhio contengono i geni che codificano per l’albumina e la cristallina. Tuttavia, l’albumina è prodotta solo nel fegato e la cristallina solo nelle cellule del cristallino Questa selettività dipende dalla presenza di fattori di trascrizione specifici che regolano la trascrizione dei geni in cellule diverse.
Accessibilità del gene
Metilazione del DNA
DNA metilasi attacca gruppi metile. È un enzima comune in alcuni eucarioti ma non in tutti. Nei mammiferi, 5% del DNA è metilato, la metilazione del DNA solitamente inibisce la trascrizione. La metilazione avviene in prossimità di “isole CpG” che si trovano vicino a promotori nei vertebrati e nelle piante. Le isole CpG sono costituite da Citosina e Guanina connesse da legami fosfodiestere. Quando le isole CpG non sono metilate correlano con geni attivi. I geni repressi contengono isole CpG metilate.
La metilazione può inibire la trascrizione in due modi
Le proteine leganti metil-CpG legano sequenze metilate e reclutano proteine che condensano la cromatina
fisici definiscono come ENERGIA la capacità di compiere un lavoro, un lavoro è qualcosa che si verifica quando una forza agisce su un oggetto ad una certa distanza. In biochimica si preferisce definire ENERGIA come capacità di produrre un cambiamento
Nessuna cellula crea energia e quindi tutti gli esseri viventi devono ottenere energia dall’ambiente. L’energia non può essere creata né distrutta ma può essere TRASFORMATA da una forma in un’altra.
Le cellule viventi sono in grado di operare tali trasformazioni. Le trasformazioni che avvengono in una cellula sono legate alle trasformazioni chimiche che avvengono a livello cellulare, alla rottura di legami, al trasporto di sostanze attraverso la membrana ….
Tutte le forme di energia possono convergere in due tipi:
ENERGIA POTENZIALE. È definita come energia di posizione, ovvero l’energia immagazzinata sotto forma di legami chimici, gradiente di concentrazione o come differenza di carica elettrica
ENERGIA CINETICA è l’energia legata al movimento, ovvero il tipo di energia che compie un lavoro
L’energia potenziale e cinetica possono essere convertite tra di loro
In un organismo vivente si utilizza il termine:
METABOLISMO per indicare tutte le reazioni che avvengono continuamente nelle cellule dell’organismo.
Le reazioni che fanno parte del metabolismo sono suddivise in:
REAZIONI ANABOLICHE (anabolismo) in cui molecole complesse si formano da molecole semplici. Queste reazioni necessitano di una fonte di energia.
REAZIONI CATABOLICHE (catabolismo) in cui molecole complesse vengono degradate in molecole semplici con liberazione di energia contenuta nei legami chimici
Spesso le reazioni cataboliche e anaboliche sono collegate tra loro, infatti l’energia liberata dalle reazioni cataboliche viene spesso utilizzata per compiere le reazioni anaboliche.
Le cellule che compongono un organismo seguono infatti le leggi della termodinamica
Prima legge della termodinamica: l’energia non può essere né creata né distrutta. Questo vuol dire che l’energia si può trasformare da un tipo in un altro tipo ma l’energia totale prima e dopo la trasformazione rimane la stessa
Seconda legge della termodinamica: quando l’energia viene convertita da una forma in un’altra, una parte di essa diventa indisponibile per compiere lavoro. Questa parte di energia contribuirà ad aumentare il disordine del sistema ovvero l’entropia. È necessaria energia per mantenere un sistema in ordine, se questa man mano viene a mancare: aumento del disordine
In una reazione biologica potrò avere una condizione in cui l’energia dei reagenti sarà superiore a quella dei prodotti e in questo coso si dissiperà una quota di energia sottoforma di calore
Nel caso in cui i prodotti hanno energia superiore rispetto ai reagenti dovrò fornire energia perché le reazioni possano avvenire.
Ruolo dell’ATP nei processi biochimici
Le cellule dipendono dall’ATP (adenosintrifosfato) per la cattura o il trasferimento di energia
La sua produzione avviene durante l’ultima fase della respirazione cellulare e durante la fase luminosa della fotosintesi . Oltre ad essere la moneta di scambio energetico, l’ATP è uno dei 4 costituenti principali del DNA.
L’idrolisi dell’ATP rilascia energia libera e genera ADP (adenosindifosfato) e uno ione fosfato inorganico ATP + H2O ADP + Pi + energia libera => Reazione fortemente esoergonica che rilascia una grande quantità di energia pari a circa 7,3 Kcal/mol. La grande quantità di energia rilasciata dipende dal fatto che l’energia contenuta nel legame covalente tra P e O è molto grande.
Rigenerazione dell’ATP: l’energia liberata dalle reazioni endocellulari di degradazione (catabolismo), viene utilizzata per formare ATP. L’energia depositata nell’ATP viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare. Quindi l’ATP accoppia i processi cellulari che liberano energia con quelli che la richiedono.
ENZIMI: MEDIATORI DEL METABOLISMO
Energia di attivazione è estremamente importante!!! Alle condizioni cellulari nessuna reazione può superare l’Energia di attivazione. Come fare per l’attività metabolica?
Impiego di un catalizzatore: Enzima è una proteina che abbassa l’Energia di attivazione, aumentando la velocità di reazione e quindi consentendo che l’Energia di attivazione sia raggiunta a temperature modeste. Accelerano reazioni spontanee.
Metabolismo dinamico.
Un catalizzatore è una sostanza chimica che accelera la velocità di una reazione chimica senza essere consumato dalla reazione stessa. Un ENZIMA è una proteina con attività catalitica. E’ un catalizzatore biologico.
Ogni enzima ha una specificità di substrato, si lega al substrato eseguendo l’attività catalitica. (Saccarasi solo su saccarosio e non su maltosio). La regione dell’enzima che lega il substrato viene definita sito attivo.
Gli enzimi rimangono immutati alla fine di ogni reazione, possono funzionare in entrambi i versi della reazione per raggiungere l’equilibrio
L’enzima cambia conformazione in seguito al legame con il substrato.
Come vengono regolati gli enzimi?
INIBITORI: inibiscono selettivamente l’azione di un enzima.
INIBIZIONE IRREVERSIBILE: alcuni inibitori formano dei legami covalenti con particolari strutture del sito attivo dell’enzima, inattivandolo in modo permanente
Esempio DIPF: inibitore irreversibile dell’acetilcolinesterasi la cui azione è fondamentale nel sistema nervoso centrale. GAS NERVINI, MALATHION (agisce solo sugli insetti).
INIBIZIONE REVERSIBILE
Inibitori competitivi se si legano allo stesso sito del substrato (sito attivo) e quindi diminuiscono l’efficienza dell’enzima.
Inibitori non competitivi se non competono strettamente con il substrato per il sito attivo. Molti antibiotici sono inibitori non competitivi.
Il metabolismo è regolato da enzimi che la cellula è in grado di accendere e spegnere a seconda delle necessità. In che modo? Attraverso gli inibitori o attivatori allosterici degli enzimi che si legano ad un sito differente rispetto al sito attivo regolandone l’attività.
Meccanismo di inibizione da prodotto finale o a feedback di una via metabolica. Inibizione delle vie metaboliche ad opera dei prodotti finali.
ENZIMI schema riassuntivo:
Accelerano le reazioni metaboliche abbassando il livello dell’Energia di attivazione richiesta. Possiedono specificità di substrato (sito attivo). L’Attività dell’enzima è regolata dall’ambiente cellulare. Nel controllo metabolico gli enzimi giocano un ruolo importante nel regolare i processi tramite la possibilità di legarsi ad attivatori ed inibitori allosterici. Gli enzimi sono localizzati in specifiche aree della cellula a seconda della loro funzione.
Come le cellule ottengono energia?
Le cellule ottengono energia tramite il processo di ossidazione del glucosio attraverso vie metaboliche Le vie metaboliche devono soddisfare alcuni principi
Il metabolismo del glucosio è un processo costituito da molte tappe, ognuna catalizzata da un enzima, il processo è compartimentalizzato e la via è sottoposta a controllo enzimatico
La via metabolica intrappola nelle molecole di ATP l’energia contenuta nel glucosio. L’energia immagazzinata nell’ATP può poi essere utilizzata per compiere lavoro cellulare
Il processo in cui si attua la degradazione di glucosio per produrre ATP include due processi metabolici: GLICOLISI e RESPIRAZIONE CELLULARE
Abbiamo detto che l’aggiunta di un gruppo fosfato all’ADP per produrre ATP è una reazione endoergonica che può immagazzinare l’energia ricavata attraverso le reazioni esoergoniche
Un altro modo per trasferire energia è il trasferimento di elettroni. Una reazione in cui una sostanza trasferisce uno o più elettroni a un’altra sostanza è chiamata OSSIDORIDUZIONE
La RIDUZIONE è l’acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, ione o molecola. Chi riceve elettroni si RIDUCE. L’OSSIDAZIONE è la perdita di uno o più elettroni . Chi perde elettroni si OSSIDA
Sebbene ossidazione e riduzione facciano sempre riferimento agli elettroni, lo stesso avviene quando vengono acquisiti o persi atomi di idrogeno perché il trasferimento di atomi di idrogeno coinvolge il trasferimento di elettroni (H = H+ + e-) Quindi quando perde atomi di idrogeno una molecola si OSSIDA Quando una molecola acquista atomi di idrogeno si RIDUCE
Ossidazione e riduzione avvengono sempre insieme
METABOLISMO DEL GLUCOSIO
È un processo attraverso il quale si libera energia. Una cellula, grazie agli enzimi, degrada sostanze complesse cariche di Energia in sostanze di rifiuto. L’Energia viene immagazzinata sotto forma di ATP e di calore.
Le vie metaboliche che liberano Energia degradando sostanze complesse: catabolismo. Il catabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che portano alla degradazione di sostanza organica con la produzione di energia. Il processo in cui si attua la degradazione di glucosio per produrre ATP include due processi metabolici: GLICOLISI e RESPIRAZIONE CELLULARE.
METABOLISMO DEL GLUCOSIO
È un processo attraverso il quale si libera energia. Una cellula, grazie agli enzimi, degrada sostanze complesse cariche di Energia in sostanze di rifiuto. L’Energia viene immagazzinata sotto forma di ATP e di calore.
Le vie metaboliche che liberano Energia degradando sostanze complesse: catabolismo. Il catabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che portano alla degradazione di sostanza organica con la produzione di energia. Il processo in cui si attua la degradazione di glucosio per produrre ATP include due processi metabolici: GLICOLISI e RESPIRAZIONE CELLULARE.
La glicolisi avvia il metabolismo del glucosio in tutte le cellule, una piccola quantità di energia contenuta nel glucosio è catturata in forme utilizzabili e non richiede energia. Avviene nel citoplasma
La Respirazione cellulare richiede Ossigeno dell’ambiente (è AEROBICA) converte completamente la molecola di carboidrato attraverso una serie di vie metaboliche. Durante il processo, una grande quantità di energia viene rilasciata e trasferita dall’ADP al ATP
Quando è disponibile Ossigeno nell’ambiente sono attivi quattro diversi processi: Glicolisi, ossidazione del piruvato, ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni
In genere le reazioni chimiche che producono energia sono le reazioni di ossido-riduzione nei quali un composto (agente riducente) trasferisce elettroni ad un altro composto (agente ossidante).
Il passaggio di un elettrone da un agente riducente ad un agente ossidante implica la perdita di energia potenziale. La respirazione cellulare è il principale processo redox in biologia: consiste nella parziale degradazione degli zuccheri (che si ossidano) in presenza o assenza di ossigeno (che si riduce) con conseguente liberazione di Energia. La respirazione cellulare avviene nei mitocondri dove -> sost. Org. + ossigeno = CO2 + H20 + Energia
La liberazione troppo rapida di Energia da parte di un combustibile non ne permette un adeguato sfruttamento per compiere lavoro.
La respirazione cellulare non ossida direttamente il glucosio in un’unica reazione esplosiva, ma al contrario il glucosio e gli altri composti organici sono degradati gradualmente attraverso una serie di tappe. Nelle reazioni di ossido-riduzione l’elettrone viaggia spesso con un protone (e quindi come atomo di H). Gli atomi di idrogeno strappati al glucosio non vengono trasferiti direttamente all’Ossigeno per formare acqua: REAZIONE ESPLOSIVA
Gli atomi di H vengono trasferiti sul coenzima NAD+ tramite un enzima che viene chiamato deidrogenasi
Ogni molecola di NADH + H+ formatasi durante la respirazione cellulare rappresenta energia depositata che può essere poi convertita in ATP.
Metabolismo aerobico del glucosio consta di:
Glicolisi: catabolica, degrada sostanze organiche ed è citoplasmatica
Ciclo di Krebs: catabolica, completa la degradazione di sostanza organica, avviene nella matrice mitocondriale. Requisito iniziale è l’ossidazione del piruvato
Catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa: trasferimento di elettroni dal NADH ridotto, con formazione finale di acqua e ATP. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali e produce il 90% dell’ATP cellulare.
Glicolisi -> Fase di attivazione o di investimento energetico; Fase di liberazione dell’energia
L’ossidazione del piruvato collega la glicolisi al ciclo di Krebs.
Il piruvato entra dal citoplasma dei mitocondri e viene trasformato in acetil coenzima A. La reazione è catalizzata da un unico complesso enzimatico che è responsabile di tre passaggi:
Il ciclo di Krebs è stato scoperto nel 1940. È costituito da 8 tappe che sono catalizzate da 8 enzimi diversi. Si producono:
Per ogni molecola di glucosio
COME SI PRODUCE ATP? La produzione di ATP in presenza di ossigeno associato al trasporto di elettroni è chiamata FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
La catena di trasporto di elettroni I componenti della catena sono di diverso tipo:
Chemiosmosi -> Accoppiamento energetico che utilizza l’energia depositata sottoforma di gradiente protonico ai due lati della membrana per compiere lavoro cellulare
In assenza di ossigeno:
Nella respirazione cellulare si può produrre ATP attraverso due tipi di fosforilazioni: Fosforilazione ossidativa: produce la maggior parte dell’ATP cellulare Fosforilazione a livello di substrato: avviene in alcune tappe della glicoisi e del ciclo dell’acido citrico e si verifica quando un enzima trasferisce direttamente un fosfato da una molecola di substrato ad ATP
Non solo i carboidrati vengono catabolizzati in questo modo ma anche proteine e lipidi. Cambia il punto di ingresso nella glicolisi
Controllo della respirazione cellulare. Controllo allosterico
Controllo della respirazione cellulare. Inibizione a feedback
Fonte: http://www.appuntiunito.it/wp-content/uploads/2013/12/appunti-biologia.docx
Sito web da visitare: http://www.appuntiunito.it
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
Il testo è di proprietà dei rispettivi autori che ringraziamo per l'opportunità che ci danno di far conoscere gratuitamente i loro testi per finalità illustrative e didattiche. Se siete gli autori del testo e siete interessati a richiedere la rimozione del testo o l'inserimento di altre informazioni inviateci un e-mail dopo le opportune verifiche soddisferemo la vostra richiesta nel più breve tempo possibile.
I riassunti , gli appunti i testi contenuti nel nostro sito sono messi a disposizione gratuitamente con finalità illustrative didattiche, scientifiche, a carattere sociale, civile e culturale a tutti i possibili interessati secondo il concetto del fair use e con l' obiettivo del rispetto della direttiva europea 2001/29/CE e dell' art. 70 della legge 633/1941 sul diritto d'autore
Le informazioni di medicina e salute contenute nel sito sono di natura generale ed a scopo puramente divulgativo e per questo motivo non possono sostituire in alcun caso il consiglio di un medico (ovvero un soggetto abilitato legalmente alla professione).
"Ciò che sappiamo è una goccia, ciò che ignoriamo un oceano!" Isaac Newton. Essendo impossibile tenere a mente l'enorme quantità di informazioni, l'importante è sapere dove ritrovare l'informazione quando questa serve. U. Eco
www.riassuntini.com dove ritrovare l'informazione quando questa serve