Biologia animale

Biologia animale

Legami chimici

Legame covalente: permette ai due atomi di ruotare. Legame doppio: no rotazione e modifica la posizione degli altri atomi.

Le cellule

Procarioti

Privi di nucleo, disparati ecosistemi, protetti da struttura rigida. Hanno un cromosoma singolo ciclico, contenuto nella cellula e dopo la duplicazione la cellula si scinde. Spore: colonie multicellulari dove le cellule si differenziano per funzione.

Eucarioti

Hanno il nucleo, struttura esterna fluida, compartimentazioni interne tramite membrane, collaborazione tra cellule di un organismo. Il DNA occupa l'intera sezione del nucleo, per la replicazione il genoma è compattato e duplicato. DNA organizzato in cromatina. La membrana, essendo fluida, permette l'entrata di molecole esterne per formazione di vescicole. L'endocitosi modifica l'oggetto esterno e la membrana diventa nel punto interessato il contrario dell'oggetto. L'esocitosi si affida al citoscheletro, scheletro interno formato da actina, filamenti intermedi e microtubuli.

Componenti cellulari

4 gruppi di macromolecole:

• Zuccheri
• Amminoacidi
• Nucleotidi
• Acidi grassi

Monomero + monomero = polimero, necessitando però di energia fornita attraverso varie modalità. Il monomero può essere accompagnato da una molecola trasportatrice, così una volta arrivati al momento della scissione l'energia liberata può essere riutilizzata nella sintesi. Molecole specializzate come ATP o GDP.

Interazioni deboli — legami non covalenti che guidano la struttura tridimensionale della molecola e la funzione dipende dall'interazione con altre macromolecole.

• Van der Waals: si attivano per vicinanza eccessiva e non si possono avvicinare più di così.
• Interazioni elettrostatiche: per carica opposta al cambiare del pH la carica differisce.
• Ponti di idrogeno: se legato a un atomo molto elettronegativo, l'H assume una carica parzialmente positiva, la differenza di carica è sufficiente a creare un legame.
• Interazione idrofobica: in ambiente acquoso, molecole non capaci di creare ponti di idrogeno e quindi si aggregano tra loro.

Zuccheri

Polisaccaridi formati da monomeri a 5 o 6 atomi di carbonio, catene estremamente idrofile per la presenza di OH, sono legati da legami glicosidici. Hanno una forma simile ad un esagono, ed il legame può essere posto sotto o sopra.

Esempio: il legame è detto “alpha” se è posto sotto e l'atomo è in grado di idrolizzarlo (amido), invece viene detto “beta” se è posto sotto e l'atomo non è in grado di idrolizzarlo (cellulosa). Negli amminoacidi lo zucchero è maggiormente sottoforma di glicogeno con un legame alpha. Mentre nelle piante la cellulosa ha legame beta, infatti noi uomini non siamo in grado di digerire la cellulosa perché non abbiamo gli enzimi giusti per metabolizzarla mentre gli animali come la mucca sì, per esempio.

Acidi grassi

Si definiscono grassi poiché possiedono il gruppo carbossile COOH che gli dona proprietà cicliche. Testa idrofila e coda idrofoba. Possono essere saturi (nessun legame doppio) ed insaturi (nella catena ci può essere un legame doppio o triplo per esempio).

Nella cellula esistono sottoforma di trigliceridi, sarebbe a dire glicerolo + 3 acidi grassi. I fosfolipidi sono particolari trigliceridi in cui il terzo C si lega al gruppo fosfato a cui nuovamente si può legare un gruppo idrofilo.

Struttura — in acqua si aggregano in 3 modi:

• A “foglietto” con le teste polari rivolte verso l'acqua.
• A “sfera” con le code dentro l'acqua e questa struttura prende il nome di micella.
• “Liposomi” doppio strato in ambiente acquoso tutto all'interno, rappresenta per esempio la membrana cellulare.

Acidi nucleici

Sono componenti di monomeri dei nucleotidi, sono catene fosfocarbossiliche, alternarsi di ribosio e gruppo fosfato, con le basi azotate (purine T U C e pirimidine A G) sporgenti. Nel DNA e nel RNA le basi azotate di diversi filamenti si legano tra loro attraverso ponti di H.

RNA lo zucchero è il ribosio, zucchero a 5C dove quello più esterno si trova con un gruppo carbossile. DNA lo zucchero è il desossiribosio, pentoso con gruppo carbossile solo in 1 e 3.

Il DNA è una molecola composta da due filamenti complementari, dove le basi si associano sempre nello stesso modo C-G e T-A. Filamento a doppia elica, dove la quale forma due solchi.

Il maggiore dove le proteine possono facilmente legarsi e leggere il DNA, mentre l'altro minore. Elica estremamente sottile e fa un giro ogni 10 nucleotidi, gli acidi nucleici a filamento singolo (RNA) si ripiegano su se stessi in modo tale che le basi complementari si leghino, per ponti idrogeno.

L'organizzazione della cromatina è dinamica, quindi possono avvenire delle modificazioni reversibili degli istoni (acetilazione, fosforilazione e metilazione, quindi aggiunta di diversi gruppi alla molecola).

Le proteine

Sono polimeri formati dalla somma di amminoacidi (la differenziazione tra i vari amminoacidi sta tra cosa viene legato al 3 legame del carbonio). Gli amminoacidi possono essere polari con quindi carica positiva, negativa o neutra. Oppure idrofobici qualora il radicale sia idrofobo o leggermente idrofobo.

Funzioni: le proteine ricoprono diverse funzioni, nonostante gli amminoacidi siano solo 20, le diverse combinazioni danno diverse funzioni.

• Enzimi catalizzatori (catalizzatori biologici, aumentano la velocità di reazione)
• Strutturale (aggancio tra altre cellule e matrice extracellulare)
• Di riserva
• Di trasporto (tra tessuti e membrane)
• Regolatrice (di informazioni come ormoni e fattori di trasmissione)
• Di movimento (struttura e mobilità delle cellule)
• Di difesa (come anticorpi contro agenti esterni)

La funzione macromolecolare della proteina è legata alla struttura 3D che a sua volta è codificata dalla sequenza di amminoacidi.

Tipi di struttura

• Struttura primaria: struttura base delle proteine, pochi legami chimici solo quello peptidico.
• Struttura secondaria: ripiegamenti della proteina su se stessa. Ad alpha elica, assume la forma di una spirale, il legame oltre ad essere quello peptidico abbiamo il ponte disolfuro che lega le parti ripiegate su se stesse. Stessa cosa vale per quella beta foglietto, solamente che non forma un’elica ma si ripiega in orizzontale.
• Struttura terziaria: la proteina può essere denaturata (condizioni esterne come pH e temperatura) che sono in grado di rompere le interazioni deboli privando la proteina della sua forma e di conseguenza della sua funzione.
• Struttura quaternaria: non sempre presente, racchiude interazioni tra diverse proteine.

La cisteina ha un ruolo fondamentale per saldare la struttura 3 e 4 delle proteine, infatti per essa crea un ponte disolfuro con un'altra cisteina. La cellula affida a molecole specializzate il compito di ripiegare la proteina:

• Chaperone lega la proteina che non si è formata bene
• Chaperonine complessi macromolecolari che ripiegano
• Heat shock proteines in situazioni di emergenza aiutano la stabilità della proteina.

Controllo qualità — nel tempo possono verificarsi ripiegamenti scorretti rendendo la proteina instabile. L'ubiquitina aiuta a riconoscere e degradare una proteina instabile, dovuta quindi a troppo o sbagliati ripiegamenti, se gli errori risiedono nel genoma la proteina sarà sempre sbagliata, se invece l'errore viene corretto allora può risultare una modificazione anomala della proteina.

Le malattie

Parkinson, Alzheimer, Hungtington, Creutzfeldt–Jakob, sono malattie degenerative resistenti alla degradazione. Sono causate dall'accumulo di proteine insolubili che vanno a formare aggregati tossici. I neuroni sono particolarmente sensibili.

Il morbo della mucca pazza è un esempio di malattia legata alle proteine e non alla genomica. La proteina può prendere la forma fisiologica sbagliata modificando la procedura foglietti-elica. Questo è il caso della proteina prione la cui forma fisiologica presenta una serie di eliche. L'incontro tra una proteina con un ruolo e un'altra a foglietto per esempio modifica lo stato della proteina corretta. In questo caso la proteina modificata diventa l'agente patogeno e interviene come fosse un virus.

Es. cAMP (ciclico) è un nucleotide (base azotata + zucchero + g. fosfato) derivato dall'ATP, nella parte ciclica ha ruoli di riconoscimento, la proteina crea un sito di legame apposito. Gli amminoacidi sono posti in modo tale che ognuno nelle tre dimensioni possa creare un legame stabile per somma di interazioni deboli tale che possa porre gli amminoacidi uguali col legame nella posizione corretta. Alterazioni alla struttura o all'identità degli amminoacidi rischiano di destabilizzare l'interazione.

Modificazioni post-traduzionali

Avvengono dopo la traduzione della proteina, in gran parte sono dinamiche, cioè possono essere attaccate o staccate. Dopo la traduzione molte proteine sono tagliate.

• Isdorisilazione: l'attacco di gruppi fosfati ad OH del R e rende la proteina carica negativamente.
• Glicosilazione: le proteine che devono uscire dalla cellula vengono associate a uno zucchero per renderle idrofile.
• Acetilazione: aggiunta di un gruppo acetile (COCH₃) all'NH₃, esempio nel caso della lisina permette il passaggio dalla carica positiva alla neutra.

Genoma

Nelle cellule c'è una quantità di DNA che definisce le cellule, questa quantità è definita genoma, diversi organismi hanno genomi di grandezze diverse, eucarioti piccoli (lineari) e procarioti grandi. L'organizzazione della cromatina è dinamica, quindi possono avvenire delle modificazioni reversibili degli istoni (acetilazione, fosforilazione e metilazione, quindi aggiunta di diversi gruppi alla molecola).

Lo stato di cromatina non è perpetuo, i tratti di DNA che sono espressi l'informazione è l'eucromatina, in quelli non espressi eterocromatina. Cromosoma mitotico è composto da due coppie del cromosoma, che chiamiamo cromatici e sono uniti nel centromero. Carotino umano: 46 cromosomi di cui due sessuali, XX nella donna e XY nel maschio. Autosomi sono quelli non sessuali, di cui le malattie sono meno supportate, mentre quelle che colpiscono i cromosomi sessuali sono già supportate.

4 alterazioni dei cromosomi:

• Delezioni, perdita di un segmento
• Duplicazione, un segmento si duplica e si rompe in punti diversi.
• Inversione, il DNA si rompe, viene riparato e saldato nel posto opposto. Possono avere conseguenze sia nella perdita dell'informazione ma anche in base ad un cambiamento epigenetico.
• Traslocazione, un pezzo del cromosoma viene attaccato su un altro cromosoma, che è omologo, non c'è grande perdita di informazioni. Ci sono anche quelle non reciproche tra cromosomi omologhi, e il soggetto presenta una trisomia.

L'informazione nel DNA

L'informazione viene espressa, ciò che è codificato viene trasformato in attività enzimatica. Replicazione-trascrizione-traduzione.

• Replicazione: DNA → DNA
• Trascrizione: DNA → RNA
• Traduzione: RNA → catene polipeptidiche (proteine) con 20 amminoacidi.

Cambiano i monomeri costituenti, in tutte le fasi. L'informazione è codificata nei geni, entità trasmissibile che codifica un certo carattere, ma il gene ha una controparte chimica che è un pezzo del cromosoma quindi un pezzo di DNA, ed è la parte necessaria per produrre una determinata proteina o RNA.

Una parte viene ricopiata in mRNA (messenger) la regione trascritta, l'altra parte non viene ricopiata, ed è una proteina regolatrice.

Gene: Parte trascritta + non trascritta (proteina) con funzione regolatrice.

Processo di replicazione

L'informazione dipende da quale dei due filamenti viene copia in RNA, filamento singolo e rappresenta uno dei due filamenti. Definito non solo da un pezzo ma anche dalla direzione, la direzione viene definita dal promotore che è la regione regolatrice.

Promotore: elementi prossimali costanti per tutti (TATA box) in cui si lega la RNA polimerasi + elementi specifici che vengono riconosciuti da determinate proteine e controllano l'efficienza di inizio della trascrizione.

Ci possono essere dei geni che si sovrappongono, vengono letti in direzioni opposte, ad esempio i virus hanno molti geni che si sovrappongono. 70/90% del genoma è trascritto, dal trascrittoma, tanti RNA con funzioni diverse. Il genoma è fisso, il trascrittoma insieme di tutti gli RNA non è uguale in tutti.

GENOMA= ma TRASCRITTOMA=/ ed inoltre può cambiare nel tempo. Stessa cosa per le proteine in una cellula (proteoma) in qualche modo rispecchia il trascrittoma, diverso il profilo delle proteine nelle cellule. Il genoma viene replicato e trasmesso. La decisione di replicarsi coincide con la replicazione del DNA. Avviene in un momento particolare del ciclo della cellula, nella fase S, sintesi perché viene sintetizzato del nuovo DNA.

Sintesi DNA

Processo semiconservativo, viene usato un unico filamento, e rappresenta lo stampo di due nuovi filamenti, c'è un filamento nuovo e uno vecchio. AB → AC + BD AeB sono vecchi, mentre C e D sono nuovi. Esperimento di Meselson e Stahl, 1958, dove viene scoperta la sintesi del DNA di tipo conservativo. La DNA polimerasi avviene su uno stampo ed in una certa direzione, attaccando nucleotidi bella loro estremità 5’ a quella 3'. Nessun ATP, porta in sé l'energia, l'informazione dove attaccarsi, ma serve un innesco, può avvenire aggiungendo nuovi nucleotidi ad un filamento che c'è già, è in grado quindi di allungare un filamento pre-esistente, questo meccanismo si definisce anche “primer”

Replicazione

I punti dove inizia la sintesi si chiamano origini di replicazione:

1. Individuare l'origine ed aprire la doppia elica (enzima elicasi), rompere i ponti H. Abbiamo quindi due regioni stampo e generiamo una struttura chiamata “bolla di replicazione”. La sintesi procede in modo bidirezionale e la bolla continua ad allungarsi finché l'intero filamento viene replicato. Negli eucarioti invece ci sono più origini di replicazione e si estendono fino ad occupare tutto il DNA.
2. Topoisomerasi, enzima necessari alla rotazione del DNA quando l'elicasi lo apre in modo che esso non si aggrovigli. Quelle di tipo 1 si occupano del “superavvolgimento” tagliando uno dei due filamenti per poi risaldarlo e richiedono energia, quelle di tipo 2 risolvono il problema del concatenamento, si legano ai filamenti, cerano un legame covalente e rompono il legame desossiribosio non solo su un filamento ma su entrambi, non lasciano andare nessun filamento e quando sono stati separati, questo stesso enzima torna a saldare l'insieme. → Farmaci anti topoisomerasi, che inibiscono questa funzione, farmaco antitossico che colpisce con maggiore efficacia le cellule che stanno proliferando bloccando la replicazione e la trasmissione del gene mutato sbagliato del cancro per esempio.
3. Un enzima specifico, la “primasi” sintetizza un corto segmento di RNA che funziona da primer per la sintesi del DNA. Aggiunta di desossiribonucleotidi ad un piccolo filamento di RNA.
4. Per ogni forca di replicazione c'è un segmento dalla parte opposta, quindi si deve invertire la sintesi, la primasi mette un innesco sul 3’ invece che sul 5’ per esempio. Meccanismo più lento, i quanto richiede maggior sforzo, un filamento continuo e uno NON continuo. Avvengono ripetuti processi di innesco, e i frammenti di DNA generati sono chiamati frammenti di Okazaki e vengono uniti da una ligasi (funzione che lega tra loro nucleotidi).

Alla fine otteniamo due cromosomi concatenati.

Telomeri

I telomeri sono delle lunghe sequenze chiuse di nucleotidi, simile ad un sistema tampone, proteggono le estremità dei cromosomi, oltre ad aggiungersi al cromosoma per evitare il danno della mancanza di cromosomi, permette alla cellula di replicarsi svariate volte senza sentire l'accorciamento del cromosoma. Il telomero lo ripara dalla rottura per esempio.

I telomeri sono sintetizzati dall'enzima telomerasi, è una riboproteina (componente peptidica e una componente di RNA) DNA polimerasi particolare: usa RNA come stampo per sintetizzare DNA. La telomerasi è attiva nello zigote, nelle cellule staminali e anche nella linea germinale. Produzione dei gameti, spesso però è attiva anche nelle cellule tumorali.

In ogni replicazione la cellula perde un pezzo di ogni estremità, quindi il cromosoma si accorcia sempre di più.

Come funziona la telomerasi

Alla fine del cromosoma troviamo il telone, la cui successione nucleotidica è uguale al filamento di RNA, il quale è più lungo però, generando una regione a doppio filamento, prendono stampo di RNA. Attacca desossinucleotidi per allungare lo stampo. La telomerasi aggiunge un elevato numero di sequenze sempre uguali al telomero, una volta che ha allungato il tutto si viene a creare uno stampo abbastanza lungo in modo da consentire la DNA polimerasi, il filamento quindi diventa doppio. La telomerasi funziona nelle cellule...