Appunti biologia generale

Parte 1

Lezione 1: Le caratteristiche generali dei viventi

3.5 miliardi di anni fa: primi viventi presenti in condizioni ostili, in assenza di ossigeno. Darwin introduce il concetto di selezione naturale cioè solo gli individui meglio adatti all’ambiente sopravvivono abbastanza da riprodursi. La biologia è lo studio degli esseri viventi cioè la scienza della vita.

Come distinguere un organismo vivente? Cresce continuamente, richiede energia (metabolismo), ha la capacità di rispondere agli stimoli (luce, temperatura, pressione, suono, sostanze chimiche), si riproduce (asessuati e sessuati), si adatta ai cambiamenti ambientali (fisiologico, strutturale e comportamentale).

Gli organismi si dividono in tre domini (batteri, archea e eucarioti) e sei regni (batteri, archea, protisti, vegetali, funghi e animali).

• Dominio Bacteria: procarioti maggiormente diversificati ed usi, comprendono micoplasmi, rickettsie, bacilli, clostridi, cocchi, vibrioni, spirilli, spirochete.
• Dominio Archea: procarioti diversi dai batteri, sopravvivono ad habitat estremi (ambienti acidi e caldi), la filogenesi di questi organismi non è ancora ben chiara, similitudini con eucaria.
• Dominio Eukarya: presentano un nucleo ben definito e citoplasma con vari compartimenti, sono unicellulari o pluricellulari.

Appartengono a protisti (eucarioti autotrofi o eterotrofi unicellulari o pluricellulari semplici, protozoi, parassiti, gruppo molto eterogeneo), funghi (eterotrofi unicellulari e pluricellulari, 100.000 specie, molti non classificati), piante (autotrofe, 350.000 specie, la maggior parte sono angiosperme cioè formano fiori, semi e frutti, e effettuano la fotosintesi, 12 phyla: briofite, pteridofite, gimnosperme e angiosperme) e animali (2 milioni di specie, pluricellulari con differenziamento cellulare, eterotrofi e mobili almeno in uno stadio della vita, 35 phyla: artropodi più numeroso).

Le relazioni (filogenesi) tra gli organismi viventi sono state stabilite mediante: somiglianze nelle caratteristiche morfologiche e nello sviluppo, l’analisi dei fossili, l’analisi molecolare basata su RNA ribosomiale. Costruzione di alberi filogenetici. Filogenesi molecolare: studio effettuato per evidenziare le relazioni filogenetiche usando molecole che gestiscono l’informazione genetica (è altamente conservata, cambiamenti provocano morte cellulare) e molecole coinvolte nel metabolismo e nella conversione dell’energia.

Tassonomia: identifica le specie definendole e attribuendo loro un nome. Sistematica: si occupa della valutazione dei rapporti filogenetici tra le specie in base alle descrizioni del tassonomo. Dominio, regno, phyla, classe, ordine, famiglia, genere e specie.

Come si definisce una specie? Con criteri morfologici come fece Linneo (nomenclatura binomiale); con criterio biologico: due organismi della stessa specie sono interfecondi così come la discendenza; criterio molecolare: attraverso l’analisi del genoma individuo la specie (metodo più preciso).

Homo sapiens: dominio eucarioti, regno animali, phylum cordati, subphylum vertebrati, classe mammiferi, sottoclasse euteri (placentati), ordine primati, famiglia ominidi, genere Homo, specie sapiens.

Lezione 2: Teoria cellulare

La cellula eucariote potrebbe essersi originata da una simbiosi tra un archaeon e un batterio. Schleiden, Schwann, Virchow (1838-1855):

• Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule;
• Le cellule rappresentano le unità fondamentali della vita;
• Le cellule hanno origine dalla divisione di una cellula preesistente.

La cellula (1-5 micron: procarioti; 10-100 micron: eucarioti) è separata dall’ambiente grazie alla membrana plasmatica, possiede il genoma che codifica tutte le strutture cellulari, esprime l’informazione immagazzinata nel codice genetico, raccoglie l’energia per formare componenti più complessi. Il volume della cellula dipende dalle funzioni che essa svolge.

Lezione 3: Ruolo dei legami chimici (nelle molecole biologiche)

Acqua, ioni e piccole molecole costituiscono il 75-80% del peso di una cellula vivente; le macromolecole (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici, lipidi) la parte rimanente. L’acqua è il solvente in cui avvengono le diverse reazioni chimiche della cellula; è la matrice fluida attorno alla quale si realizza la struttura insolubile della cellula; è il mezzo attraverso il quale i materiali vengono trasferiti da un compartimento all’altro; forma legami con molecole polari (aa, zuccheri, nucleotidi) che diventano solubili.

Tra i legami deboli abbiamo:

• I legami ionici in assenza di acqua possiedono una forza elevata. Sono molto importanti per l’interazione tra enzima e substrato, nel legame tra proteine (istoni) e DNA.
• I legami idrogeno li troviamo nell’interazione fra le basi azotate e fra aa in catene polipeptidiche.
• Interazioni idrofobiche tendono a raggruparsi escludendo l’acqua.
• Forze di van der Waals sono dovute al fatto che la distribuzione di carica elettronica intorno ad un atomo varia. Sono importanti per molecole lunghe.
• I legami forti (covalenti) intervengono nella costruzione delle macromolecole.

L’acqua interviene attivamente nel processo di condensazione e idrolisi quindi per la formazione di polimeri e la loro scissione. Vi sono due tipi di polimerizzazione (di testa come nelle proteine e acidi grassi o di coda come nel DNA, RNA e polisaccaridi) che influenzano i tipi di correzione che si possono avere (post sintesi nel DNA, pre sintesi nelle proteine).

Perché la polimerizzazione? Se in un polimero c’è un errore basta eliminare il monomero e sostituirlo con uno sano, cosa che invece non accade in una grande molecola.

Correzione pre-sintesi: il monomero è analizzato prima di venire incorporato nel polimero. Questa situazione avviene nella sintesi proteica; si ha un errore ogni 10⁴ aa aggiunti.

Correzione post-sintesi: il monomero è analizzato dopo essere stato incorporato nel polimero. Avviene nella sintesi del DNA; si ha un errore ogni 10⁹ nucleotidi aggiunti (risulta più efficiente).

Proteine e acidi nucleici: sono macromolecole informazionali perché per definirle non basta indicare il numero e tipo di monomeri ma deve essere indicata anche la successione. Perché le proteine sono fatte da L-amminoacidi? L’apparato primordiale della sintesi proteica era costituito da RNA a sua volta costituito con D-ribosio capace quindi di legare più facilmente a L-aa. Dominio di proteine è formato da una o più strutture secondarie. Il corretto ripiegamento di una proteina ne determina la funzione. La denaturazione porta ad una modificazione conformazionale, in alcuni casi può essere reversibile.

Gli acidi nucleici hanno anche capacità replicativa e catalitica. Sono polimeri di nucleotidi (uno zucchero a 5 C, una base azotata e uno o più gruppi fosfato). Purine: doppio anello (A+G); pirimidine: singolo anello (C+T+U). I nucleotidi svolgono altre funzioni come il trasporto di energia sotto forma di ATP, si combinano con altri gruppi per formare coenzimi (CoA), sono usati come vettori di messaggi intracellulari (cAMP). I nucleotidi si legano covalentemente con un legame 3’-5’ per formare DNA e RNA, si uniscono tra loro tramite legame fosfodiestere tra gli atomi di C3’ e 5’. L’adenina si appaia con timina con due legami H e guanosina con citosina con tre. Regola di Chargaff: la quantità di purine è sempre uguale a quella di pirimidine, la composizione di DNA varia da specie a specie.

Il DNA possiede un solco secondario e uno principale. La doppia elica è stabilizzata da legami deboli: legami H fra le basi dei due filamenti e forze di van der Waals fra quelle successive di un filamento. Il DNA può assumere diverse forme conformazionali: DNA B (la più stabile in condizioni fisiologiche, qualunque sia la sequenza nucleotidica), DNA A (favorita in un mezzo povero di acqua, ha un’elica più ampia, 10.5 basi per giro, il solco maggiore è più profondo del minore), DNA Z (è sinistrorsa, forma a zig-zag, struttura sottile ed allungata).

Le strutture palindromiche del DNA possono portare ad una organizzazione tridimensionale diversa: struttura a forcina, a croce G-quadruplex (sono presenti a breve distanza tratti da 3 o 4 G, le 4 sequenze si dispongono in parallelo due con orientamento 5’-3’ e due nella direzione opposta, formano legami H tra loro, questa struttura si trova nei telomeri dei cromosomi eucarioti e in alcuni tratti intronici di trascritti). Il DNA si può denaturare modificando il pH o con temperature maggiori di 80 gradi, non vengono rotti i legami covalenti.

Anche se a filamento singolo l’RNA può ripiegarsi e assumere strutture secondarie. mRNA: messaggeri per la traduzione in proteina, eterogenei come lunghezza, vita breve, sintetizzati nel nucleo come trascritto primario e modificati in RNA maturi mediante tailing, capping e splicing; rRNA: stabili, componenti del ribosoma, pochi tipi, ruolo catalitico nella sintesi proteica; tRNA: stabili, piccoli, funzioni di adattatori in quanto legano aa in modo specifico; snRNA (small nuclear): presenti nel nucleo, dimensioni piccole, funzione catalitiche nello splicing; snoRna (piccoli nucleolari): catalizzano la maturazione degli rRNA e assemblaggio ribosomi nel nucleolo; miRNA (micro): recenti, varie funzioni nel nucleo e nel citoplasma.

Vi sono molti altri tipi di RNA alcuni non codificanti (long non-coding RNA: lunghezza superiore ai 200 nucleotidi; non sono molto conservati; il loro numero è andato progressivamente aumentando; si trovano in unità separate, trascritti da enhancer, promoter o in introni di altri geni, alcuni sono trascritti e sono quindi pseudogeni; svolgono la trascrizione, epigenetica: reclutano e agganciano modificatori della cromatina, compartimenti nucleari: dirigono la localizzazione di RNP, regolazione post-trascrizionale: mRNA processing, stabilità e traduzione) e ancora non ben conosciuti.

Nel tentativo di chiarire i vari tipi di meccanismi molecolari dei lncRNA sono stati definiti 5 archetipi. Negli ultimi anni si è scoperto che sono espressi in maniera differenziale in alcuni tipi di cancro, disregolazioni dei lncRNA sono state descritte nelle malattie cardiovascolari, neurologiche, immunologiche e altre malattie genetiche. Per questo motivo rappresentano potenziali nuovi biomarkers e bersagli terapeutici. Molti RNA hanno ruoli catalitici: ribozimi sono enzimi costituiti da RNA (si riteneva che solo le proteine potessero funzionare da catalizzatori). I ribozimi catalizzano reazioni enzimatiche sfruttando l’appaiamento delle basi; hanno conformazioni tridimensionali variegate e funzioni molto distinte (es. favorire processo di splicing, catalizzare la sintesi proteica, formazione ponte disolfuro, alchilazione.. ).

Secondo un’ipotesi in età evolutiva i genomi erano costituiti da RNA e erano replicati da enzimi a RNA, in assenza di DNA e proteine (RNA world). L’RNA può avere attività enzimatica e sfruttarla per la propria replicazione; può catalizzare la propria sintesi; molecole di RNA diverse si supportano a vicenda; lavorano insieme per formare un primo apparato per la sintesi proteica; le proteine sono enzimi migliori dell’RNA e grazie alla loro attività si forma DNA; RNA rimane un intermediario nella sintesi delle proteine.

Modello ipotetico dell’evoluzione dei sistemi cellulari:

• Inizialmente un unico poliribonucleotide primordiale può catalizzare la propria sintesi;
• Si evolvono diverse molecole di RNA con funzioni catalitiche e informazionali;
• Alcuni RNA acquisiscono la capacità di funzionare da super cicatalitiche per la sintesi di proteine;
• Si evolvono nuovi enzimi proteici;
• Si evolve DNA come molecola più adatta per codificare informazioni.

Gli enzimi ribonucleotide difosfato reduttasi (catalizza la formazione di desossiribonucleotidi a partire da ribonucleotidi), timidilato sintetasi (catalizza la sintesi di dTMP fosforilato a dTTP che è il precursore della sintesi del DNA, si passa da genomi che contengono U a genomi con T), uracile DNA glicosilasi (trasforma RNA in cDNA) si sono evoluti e hanno portato all’affermazione del DNA.

La cellula primitiva aveva un genoma ad RNA ed una membrana plasmatica stabile, doveva permettere ai precursori dei componenti cellulari di essere importati e alle sostanze non desiderate di essere esportate. Perché non troviamo uracile nel DNA? Se l’uracile fosse una base naturale del DNA sarebbe stato difficile distinguere gli uracili originariamente presenti perché la citosina deamina spontaneamente ad uracile. La completa sostituzione dell’U con T nel DNA potrebbe essersi evoluta come un sistema di controllo di errori.

Parte 2

Lezione 1: Il nucleo e la cromatina

Il nucleo venne descritto a partire dal 1700 da Robert Brown. Si trova nella cellula eucariotica e ne rappresenta il centro di controllo, contiene DNA condensato nella cromatina (cromosomi), all’interno presenta compartimenti subnucleari e il più grande è il nucleolo (molto elettron denso). L’aspetto del nucleo varia in rapporto al ciclo cellulare: interfase il nucleo risulta ben evidente, materiale genetico parzialmente condensato e cromosomi non visibili; mitosi involucro nucleare scompare, materiale genetico condensato nei cromosomi.

Tutte le cellule eucariotiche hanno uno o più nuclei indispensabili per l’attività metabolica; la distruzione sperimentale del nucleo porta alla morte della cellula. Esistono cellule prive di nucleo come eritrociti (precursori sono reticolociti), piastrine (megacariociti), cellule o fibre del cristallino che sono tutte derivate da precursori nucleati. La forma del nucleo è generalmente correlata alla forma della cellula (es. i granulociti hanno nucleo polilobato). La dimensione è proporzionale al volume del citoplasma (indice nucleoplasmico N/P). Negli embrioni precoci di topo i blastomeri si dividono modificando il loro indice nucleo/plasmatico fino all’uscita dell’embrione dalla zona pellucida per impiantarsi nella parete uterina.

La posizione del nucleo può essere centrale (cellule embrionali); spostato al polo opposto rispetto al polo di secrezione (cellule secernenti); appiattito contro membrana plasmatica (cellule adipose). Generalmente le cellule sono mononucleate ma talvolta polinucleate come il plasmodio: cellula contenente più nuclei per un fenomeno di divisione nucleare non seguito da divisione citoplasmatica (es. alcuni embrioni precoci); sincizio: cellula formata per fusione di diverse cellule mononucleate (es. fibre muscolari e cellule di Langhans).

Il nucleo protegge il DNA della cellula (molto chiaro nell’interfase), quando la cellula si divide l’involucro nucleare si dissolve e il DNA è a contatto direttamente con il citoplasma. Negli eucarioti il nucleo crea un compartimento per la sintesi dell’RNA separato da quello per la sintesi proteica questo consente una sofisticata serie di controlli dell’espressione genica che permette le modificazioni post-trascrizionali.

Il nucleo è delimitato dall’involucro nucleare che è una doppia membrana concentrica in contatto con la sottostante lamina nucleare verso l’interno. L’involucro è interrotto a livello dei pori nucleari. Le due membrane nucleari sono simili alla membrana plasmatica e separate per 15-30 nm dallo spazio perinucleare in comunicazione con il lume del RER. La MNE (membrana nucleare esterna) è in continuazione con la membrana del RE, la sua faccia esterna è associata a ribosomi. La MNI è associata alla lamina nucleare.

Come si è evoluto il nucleo? Teoria endosimbiontica: simile a quella che ha portato alla formazione di mitocondri e cloroplasti. La cellula procariotica viene fagocitata da un’altra cellula, le membrane della cellula fagocitata e fagocitante restano integre e questo spiegherebbe la presenza della doppia membrana che avvolge il nucleo stesso. Invaginazione della membrana plasmatica: invaginazione di strutture che si sono allargate e hanno raggiunto il nucleo stesso e questo spiegherebbe anche le strutture del RE. Il genoma si è organizzato grazie a proteine citoscheletriche (actina, tubulina..) legate a proteine dei centromeri. In LECA (last eukaryotic common ancestor, FECA first) si organizza l’involucro nucleare, i complessi del poro e lo scheletro nucleare.

L’involucro nucleare è perforato da aperture circolari di 80-100 nm: i pori nucleari. I pori sono circa 10-20 per micron per metro quadrato. Regolano il traffico bidirezionale di molecole dal citoplasma al nucleo e viceversa. Il passaggio di macromolecole (RNA, proteine) è altamente controllato. I pori contengono un complesso proteico (nuclear pore complex) che media il passaggio di macromolecole, mediante trasporto attivo. Questo complesso pesa circa 120x10⁶ Da, presenta simmetria ottagonale ed è composto da numerose proteine chiamate nucleoporine.

Il complesso dal lato del citoplasma possiede un anello proteico con filamenti importanti per l’aggancio e il trasporto di molecole; il canale centrale (9nm) è ricco di fibrille; l’anello nucleare ha una struttura a canestro con funzione di aggancio e selezione. Le piccole molecole (<40 kDa) diffondono liberamente attraverso il NPC (complesso poro nucleare) mentre quelle grosse devono essere riconosciute e richiedono trasporto attivo.

Importazione nucleare: selettività di importazione delle proteine nel nucleo determinata da un segnale di localizzazione nucleare (NLS) presente solo nelle proteine nucleari. NLS è costituito da brevi sequenze di 4-8 aa basici (lisina e arginina). Il trasporto avviene mediante riconoscimento dell’NLS da parte dei recettori di importazione (importine). I segnali di localizzazione possono essere costituiti da sequenze continue di aa o bipartiti; sono estremamente specifici ed efficaci (mutazione di un singolo aa può impedire il trasporto).

Il trasporto prevede prima l’attacco del cargo con il carrier al NPC e poi il trasporto attraverso il poro. Successivamente il carrier si distacca e ritorna nel citoplasma.