Appunti biologia applicata

Biologia applicata

Concetti base

Gli esseri viventi sono complessi in modo specifico e hanno bisogno di informazioni tramite DNA. Sono dotati della capacità di accrescimento, trasformano oggetti inorganici in organici attraverso reazioni chimiche e enzimi che catalizzano le reazioni. Si possono autoriprodurre, dando origine a nuovi esseri viventi che somigliano ai genitori, e si adattano all’ambiente tramite evoluzione (Darwin → mutazioni casuali e selezione naturale e Lamark → modificazioni indotte dall’ambiente). Hanno un’organizzazione cellulare, dove ogni parte del corpo svolge la sua funzione, e sono eccitabili.

Gli oggetti inorganici possono essere complessi come gli esseri viventi, ma non hanno la capacità di accrescimento, non si autoriproducono, non si adattano all’ambiente, non hanno organizzazione e non hanno la proprietà di eccitarsi.

Teoria cellulare

Tutti gli organismi sono formati da cellule (unità funzionale) e tutte le cellule derivano da altre cellule.

Cellula procariote

• Sono unicellulari
• Dimensione: frazioni di µm
• Forme diverse: cocchi, bacilli e spirilli
• A volte hanno una parete cellulare e a volte una capsula (gram + e gram -, è importante sapere se gram – e quindi ha la capsula per somministrare il giusto antibiotico)
• Non hanno organuli membranosi ma hanno ribosomi (sintesi proteica)
• Non hanno un nucleo, ma hanno una singola molecola di DNA. (Plasmidi per resistenza ad antibiotici)
• Hanno i mesosomi (invaginazione dove si aggancia il DNA del batterio durante la divisione cellulare per una corretta spartizione alle cellule figlie)
• Hanno un tasso di mutazione per resistenza (fitness) molto alto.
• Hanno capacità di trasmettere il materiale genetico sia verticalmente che orizzontalmente e hanno pili o flagelli.

Cellula eucariote

Può essere animale o vegetale (animale).

• Ha una membrana
• Ha un vero e proprio nucleo
• Ha organelli membranosi:
  1. Reticolo endoplasmatico
  2. Apparato di Golgi
  3. Mitocondri
• Ribosomi
• Citoscheletro

Membrana

Ha un doppio strato fosfolipidico permeabile solo ad alcune sostanze; per le altre ci sono le proteine di membrana attraverso canali e pori e grazie al gradiente di concentrazione. Per quanto riguarda il controgradiente, si utilizzano, per esempio, pompe protoniche ATP come la pompa sodio-potassio. Il colesterolo si incastra tra le code apolari confondendosi tra i fosfolipidi.

Nucleo

• È una struttura membranosa che compatta e protegge il genoma (doppia elica). È suddiviso in tante molecole lineari (i cromosomi) che però sono visibili solo quando inizia la riproduzione.
• Nel nucleolo si raggruppano tutti i pezzi che codificano per lo stesso prodotto (rRNA).
• Il nucleo è circondato da una parete membranosa.
• Permette di separare le funzioni nella cellula (es: per comunicare nucleo e ribosomi ci sono i pori nucleari dove sono presenti delle proteine (guardie); sono presenti più di 100 proteine impiegate nei pori).
• La lamina nucleare è costituita dalle lamine; quando si ha la progeria, la prima lamina non riesce a leggere completamente e in maniera corretta il DNA.

Reticolo endoplasmatico

1. Reticolo endoplasmatico liscio: produce i lipidi per la membrana e regola la concentrazione di Ca con una riserva di esso.
2. Reticolo endoplasmatico rugoso: partecipa alle modificazioni post-traduzione delle proteine (per esempio togliere porzioni di DNA, aggiungere lipidi e zuccheri). Se le modificazioni non sono sufficienti, le proteine vengono mandate nell’Apparato di Golgi.

Apparato di Golgi

• Cis: verso il nucleo.
• Trans: verso la membrana.

È un sistema di cisterne, una stazione di interscambio dove vengono destinate al loro posto le proteine o le altre molecole.

Mitocondri

• Ha due membrane.
• Ha al suo interno delle molecole di DNA (circolare) → teoria endosimbiontica.
• Ha dei suoi ribosomi che sono simili a quelli dei procarioti.
• La cellula uovo è quella che ha più mitocondri.
• L’alterazione del DNA mitocondriale porta alla sofferenza della cellula perché non ha abbastanza energia (patologie neuromuscolari).

Citoscheletro

• Microtubuli formati da tubulina come il centromero (mitosi e meiosi), depolimerizzano e polimerizzano.
• Microfilamenti formati da F-actina.
• Filamenti intermedi:
  1. Cheratine: capelli.
  2. Vimentine: elasticità.
  3. Desmine: punti di contatto tra cellule.
  4. Lamine nucleari: vedi mitocondri.

Lisosomi

• È l’apparato digerente della cellula.
• Ha enzimi potenti per digerire; le idrolasi acide sono enzimi che spezzano legami aggiungendo OH, lavorando in ambiente acido.
• Se si rompe il lisosoma, l’idrolasi viene disattivata e, se non funziona, le cellule accumulano lo scarto e diventano tossiche.

Perossisomi

• È un organulo membranoso che ha enzimi che neutralizzano le sostanze tossiche e sono la ossidasi e la catalisi.

Il ciclo cellulare

• La vita della cellula inizia e termina con una divisione (tranne lo zigote → unione cellula uovo e spermatozoo).
• La sua durata varia a seconda del tipo di cellula. La parte più variabile è la fase G1: in alcune cellule è praticamente assente, per altre, dura anche più di 20 ore, mesi, anni.
• Cellule perenni: dopo la specializzazione non si dividono più, es: neuroni che sono in una costante fase G0, sincizi o globuli rossi.
• Alcune cellule si dividono molto velocemente (cellule embrionali → in attiva proliferazione).
• Altre si dividono per un po' poi basta → cellule stabili (con stimoli possono ricominciare).

Mitosi e meiosi

• Sono precedute da un’interfase divisa in G1, S e G2, dove G=gap.
• G1: la cellula deve crescere → attiva sintesi proteica.
• S: duplicazione del DNA → attiva sintesi di DNA (sintesi delle proteine isotoniche).
• G2: verifica l’efficienza delle fasi precedenti e si prepara alla divisione corretta sia del materiale genetico che degli organelli (quindi li duplica).

Il ciclo cellulare è regolato da:

• Cicline: sono prodotte dalla cellula in particolari momenti del ciclo cellulare, regolano l’azione delle proteine CDK (cicline-dipendenti-kinase) che hanno enzimi che aggiungono il gruppo fosfato (al contrario delle fosforilasi che li staccano).
• CDK: hanno un’azione di fosforilazione per avanzare nel ciclo cellulare. L’aggiunta o l’eliminazione del gruppo P è il modo per azionare enzimi o proteine.

Durante il ciclo cellulare ci sono diversi check-point per controllare che niente vada storto (valutano la situazione della cellula e prendono decisioni). (Passaggio G1-S, G2-M e all’interno della divisione).

Check-point diffuso

Controlla l’integrità del genoma; se c’è qualcosa che non va, i meccanismi di riparo risolvono quando possibile la situazione, altrimenti la cellula va incontro ad apoptosi.

DNA struttura e funzione

• Watson e Crick scoprirono la struttura tridimensionale del DNA nel 1953.
• Ora siamo in grado di leggere tutto il DNA, ma capiamo esagerando il 5%.
• Un esperimento che apportò novità nel mondo della scienza fu l’esperimento di Griffit sulla polmonite nel 1928 → uso dei batteri del topo per la trasformazione batterica.

Divisero i batteri in:

• Batteri con la capsula: si mimetizzano, non lo combatte → il topo muore e nel sangue troviamo i batteri cattivi.
• Batteri senza capsula: il sistema immunitario lo sconfigge.

Notarono, quindi, che se si univano i batteri senza capsula (buoni) vivi a quelli con la capsula (cattivi) morti il topo moriva e nel sangue erano presenti batteri cattivi (con capsula) vivi. Quindi dedussero che i batteri cattivi morti avevano un principio per trasformare i batteri buoni in batteri cattivi (acquisendo un plasmide per trasformazione).

• Nel 1944 Avery prende le cellule morte e le mette in coltura con le cellule buone vive e notò che crescevano cellule cattive vive. Allora decise di inserire nella miscela una proteinasi, ma si ripete il risultato precedente. Decide di provare a togliere l’RNA (quindi inserisce una RNAsi), ma il risultato rimane lo stesso. L’ultima molecola rimasta era il DNA (inserisce una DNAsi) e infatti restano solo cellule buone e vive.

Il DNA (acido desossiribonucleico)

Il nucleotide base ha 3 componenti:

• Gruppo ortofosforico.
• Molecola di zucchero a 5 atomi di carbonio.
• Basi azotate A, C, G, T.

Il fatto di non avere il gruppo ossidrile ha reso la molecola di DNA perfetta perché poco reattiva, così da trasmettere le informazioni in modo più controllabile e stabile.

Basi azotate

• Purine: hanno due anelli eterociclici (adenina e guanina).
• Pirimidine: hanno un anello eterociclico (citosina e timina, nell’RNA uracile).

Watson e Crick hanno scoperto per primi la doppia elica del DNA e quindi la sua struttura tridimensionale, ottenendo il premio Nobel. Contribuì anche la Franklin (cristallografa) che tramite il suo lavoro suggerì che c’era una doppia elica con un passo da 34 nm. Loro nel 1953 affermarono e scoprirono che:

1. Il DNA è costituito da 2 catene polipeptidiche.
2. Le due catene costituiscono una doppia elica destrorsa con un passo di 34 nm.
3. Le due catene sono antiparallele 5’-3’ e 3’-5’.
4. Le basi sono all’interno e i gruppi fosforici all’esterno.
5. Le due catene sono unite da ponti idrogeno (2 fra A e T e 1 fra G e C).

Per ogni purina che incontro nel nostro DNA c’è una pirimidina (rapporto 1:1), questa caratteristica è tipica degli esseri viventi e del DNA. Ogni molecola di DNA è legata tra di loro tramite un legame fosfodiesterico (tipici degli acidi nucleici → anche RNA, che ha un filamento singolo, lo zucchero è il ribosio e al posto della timina c’è l’uracile).

Se io osservo la superficie del DNA, vedo gruppi fosfato con cariche negative a disposizione. La distanza tra le basi azotate è chiamata solco minore o solco maggiore; questi due solchi sono molto importanti perché sono critici per il funzionamento di specifiche proteine che interagiscono con i due solchi.

Legame fosfodiesterico

• I radicali coinvolti sono il fosfato (P 5’) e l’OH (3’).
• Avvengono tramite una reazione di condensazione (formazione di un legame con eliminazione di una molecola di acqua).
• Se noi conosciamo che base azotata c’è su un filamento in un certo punto, sappiamo anche quale base c’è dall’altro lato.

Duplicazione del DNA

Duplicazione dell’informazione genica da trasmettere:

• Conservativa: Fa una specie di fotocopia, mantenendo la cellula madre integra, doppia elica identica per le figlie.
• Semi-conservativa: Le figlie hanno metà materiale genetico della madre e metà nuovo e metà vecchio, a volte può essere però anche tutto nuovo o tutto vecchio.

Esperimento di Meseelson e Stahl 1958

Si basa sulla proprietà dell’azoto N (radioattivo): N¹⁵ >> N¹⁴, nel senso che l’azoto 15 è molto più pesante dell’azoto 14.

1. Studiano i batteri (più manipolabili e molto più rapidi nella riproduzione) e decidono di farli crescere nell’azoto 15, notano alla fine che dopo un po’ di riproduzioni tutto l’azoto presente nelle basi azotate del DNA dei batteri è N¹⁵.
2. Allora decidono di spostare tutto nell’azoto 14 e fanno avvenire una replicazione (cosicché possa essere inserito solo N¹⁴, leggero, nei nucleotidi nuovi) e successivamente centrifugano il composto.
3. Se è conservativa: sarà presente o solo N¹⁴ o solo N¹⁵.
4. Se è semi-conservativa: potremo riconoscere bande di N¹⁴ e bande di N¹⁵.
5. Loro, dopo il secondo ciclo di replicazione, trovarono solo bande di peso intermedio e capirono subito che la replicazione era una replicazione di tipo semi-conservativo.

DNA polimerasi (la replicazione del DNA)

• È l’enzima deputato alla replicazione del DNA.
• La DNA polimerasi aggiunge desossinucleotidi in posizione 3’-OH utilizzando desossinucleotidi-3 fosfato ed un singolo filamento di DNA come stampo. I due legami fosfato che si formano hanno molta energia → portano alla formazione di ATP, per creare il legame fosfodiesterico li spezzo.
• Mi serve un enzima: Elicasi → apre la doppia elica del DNA (per avere un singolo filamento come stampo).
• Mi serve un altro enzima: Primasi (RNA-polimerasi) → sintetizza un piccolo innesco (Primer 20 paia di basi).
• La DNA polimerasi va in direzione 5’-3’ (direzione di sintesi) quindi sta copiando il filamento 3’-5’.
• Per quanto riguarda l’altro filamento, parte dal centro e torna indietro formando dei frammenti (frammenti di Okazaki). Per ognuno dei due filamenti c’è una DNA polimerasi specifica.