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lega sempre una purina (due anelli) con una pirimidina (un anello). I legami presenti nei nucleotidi

sono detti legami fosfodiesterici, e li troviamo tra un gruppo -OH di uno zucchero in 3’ (OH libero

sul carbonio dello zucchero) e il gruppo fosfato in 5’ (fosfato libero).

Mentre nel DNA abbiamo una struttura a doppia elica, nell’RNA troviamo una struttura con singola

elica, troviamo stessi legami e strutture (cambia una base azotata: al posto di T c’è l’Uracile) ed

inoltre l’RNA è più corto del DNA.

Esistono vari tipi di RNA: RNA messaggero, RNA ribosomiale, RNA transfer, Small nuclear

RNA, Small nucleolar RNA, Small cytoplasmic RNA e Micro RNA.

Cellule eucariotiche:

Sono delle strutture altamente organizzate provviste di un sistema interno di membrane che

delimitano compartimenti con diversa struttura e funzione. Presentano il nucleo, quindi sono cellule

che con il tempo si sono evolute; nel citoplasma presentano gli organelli (compartimenti rivestiti

da membrana con specifiche funzioni) localizzabili ed identificabili e grazie a ciò si specializzano,

cosa che non accade e non è presente nelle cellule procariote.

Membrane:

Le membrane sono sempre presenti e sono uguali per eucarioti e procarioti, con struttura uguale

ma diverse quantità di componenti.

La componente base della membrana è il lipide, fosfolipidi in particolare. Si formano perché i

fosfolipidi affiancati formano due strati, in particolare formati da due lipidi posti l’uno a specchio

rispetto all’altro, in modo che la parte “esterna” sia formata da teste idrofile che riescono a

sopravvivere in acqua. Quindi la membrana è formata da un doppio strato di fosfolipidi e la sua

struttura è anche detta a mosaico fluido, fluido perché è una struttura dinamica, in quanto i

fosfolipidi non sono legati tra loro.

La fluidità della membrana è collegata alla presenza o meno di doppi legami, se i fosfolipidi sono

saturi si allineano perfettamente, se sono insaturi lasciano dello spazio tra loro. Importante per la

fluidità è il colesterolo, perché è questo che si dispone tra gli spazi che lasciano due insaturi e da

maggiore rigidità alla membrana.

Tra le proteine di membrana troviamo: proteine integrali (o trasmembrana) che attraversano la

membrana, come i canali ionici; proteine periferiche appoggiate in un solo strato lipidico;

proteine ancorate o ai lipidi o a proteine all’interno della membrana.

Essendo la membrana un elemento dinamico si hanno diversi movimenti dei suoi componenti:

rotazione intorno all’asse maggiore più semplice e frequente; diffusione laterale quando un

componente si muove, ma senza cambiare lo strato lipidico; diffusione trasversale quando un

componente passa da uno strato all’altro di fosfolipidi ed è molto raro. E’ importante che

quest’ultimo movimento sia raro, in quanto se fosse frequente i due strati del sistema nervoso

diventerebbero identici (con il continuo cambiamento) e ciò porterebbe ad un annullamento della

differenza di potenziale tra i due strati.

Funzioni delle membrane: fare da barriera, ovvero delimitare la cellula e gli organelli; trasporto

attraverso la membrana che porta alla comunicazione interna ed esterna; rilevamento del segnale

(attraverso i recettori) e comunicazione tra cellule.

Trasporti attraverso le membrane: i trasporti attraverso le membrane sono qualsiasi meccanismi

che consentono ad elementi di entrare ed uscire da una cellula e ci sono trasporti di piccole

molecole o ioni e trasporti di macromolecole. Il primo trasporto avviene attraverso diffusione

(è un trasporto passivo o attivo) mentre il secondo ha specifici meccanismi ed è sempre attivo

(utilizza energia).

Trasporto di piccole molecole o ioni: Le piccole molecole possono attraversare la membrana

attraverso il metodo di diffusione semplice, mentre gli ioni non possono attraversare, essendo

carichi, l’ambiente idrofilo, ma hanno bisogno di aiuto, che arriva dalle proteine, e quindi si parla di

diffusione facilitata. Si parla di trasporto passivo se le molecole vengono trasportate da una

zona con concentrazione maggiore ad una con concentrazione minore (lungo gradiente di

concentrazione) e se non utilizzano energia; mentre il trasporto attivo (contro gradiente di

concentrazione) utilizza l’ATP.

Attraverso questi metodi passano, attraverso le membrane, diverse molecole come O2, CO2, N2 e

l’acqua (NB. anche se l’acqua è polare passa attraverso specifici canali, detti acquaporine),

glicerolo etc. Ma se la membrana non è permeabile a quella specifica molecola avviene l’osmosi.

L’osmosi è un processo che cerca di portare la concentrazione sempre all’equilibrio, spostando

l’acqua nella zona con maggiore concentrazione, ovvero “diluendo” la regione più concentrata.

L’osmosi permette il bilancio idrico delle cellule: una soluzione in cui è immersa una cellula può

essere isotonica (concentrazione interna alla cellula uguale all’esterno) e non succede nulla

perché c’è equilibrio; ipnotica (concentrazione interna maggiore dell’esterna) e quando si ha

questo la cellula assorbe acqua per raggiungere l’equilibrio e si ha una lisi cellulare (la cellula

“scoppia”) e ipertonica (concentrazione esterna maggiore dell’interna) e quando si ha ciò l’acqua

esce e la cellula muore, perdendo acqua. La diffusione facilitata utilizza il trasporto passivo ed

avviene attraverso le cosiddette proteine carrier o canali, per i canali è semplicemente uno

scorrimento, mentre quando ci sono le proteine carrier il trasporto diventa più complesso. La

proteina, che nella membrana esiste già in due diverse conformazioni, cambia forma e diventa

intercambiabile ed in base alla conformazione si lega ad uno specifico componente che verrà poi

“trasportato” all’interno (combinazione continua delle due conformazioni). Attraverso le proteine

carrier, o proteine vettori, vengono trasportati nucleotidi, aminoacidi e zuccheri: ogni membrana

ha specifici trasportatori a seconda della funzione.

I canali possono essere regolati e ci son diversi tipi di canali: canali a controllo di ligando (che

trasportano una specifica molecola), a controllo di potenziale e a controllo meccanico.

Il trasporto di ioni è un trasporto attivo ed è simile al trasporto di proteine vettrici, ma si utilizza

ATP e si passa da una zona con concentrazione minore ad una con concentrazione maggiore e

ciò avviene tramite le pompe. L’energia utilizzata è, come abbiamo detto, l’ATP, chimica negli

uomini e l’energia SOLARE nelle piante. Le pompe devono provvedere non solo al trasporto delle

molecole di soluto, ma anche all’accoppiamento di tale trasferimento ad una reazione che ceda

energia. Per questo si parla di trasportatore accoppiato, che contemporaneamente ha una zona

attiva (che usa energia) e un’altra zona che è passiva (che libera energia) e quindi l’uso energetico

totale di questo procedimento è nullo. Un esempio ne è la pompa sodio-potassio, che crea una

differenza di potenziale sulla membrana. E’ un complesso proteico che trasporta CONTRO

gradiente ione sodio e ione potassio, trasportando il sodio all’interno ed il potassio all’esterno, ma

dato che ogni tre molecole di sonno si spostano due molecole di potassio questa pompa genera

una diversa distribuzione di ioni esterni ed interni.

Trasporti di macromolecole: Questi trasporti avvengono attraverso dei specifici componenti della

cellula, ovvero le vescicole, che sono dei pezzi di membrana che si staccano da essa. Ci sono

trasporti intra cellulari ed extra cellulari. Quando si esporta una sostanza di parla di esocitosi

(anche se si trasporta fuori da un organello, non per forza fuori dalla cellula), contrariamente si ha

l’endocitosi (come ad esempio la fagocitosi e la pinocitosi), che è mediata da recettori: processo

estremamente specifico, in quanto consente di incorporare solo quelle sostanze (ligandi) che sono

riconosciute e legate da specifici recettori della membrana plasmatica. I ligandi (ormoni, fattori di

crescita, enzimi ecc.) vengono concentrati su alcune regioni della membrana plasmatica, dette

fossette rivestite, o introflessioni. Il rivestimento delle fossette si trova sulla faccia della

membrana rivolta verso il citosol ed è costituito principalmente da due proteine, la clatrina e la

proteina adattatrice.

La fagocitosi avviene nei macrofagi che degradano materiale che arriva dall’esterno, si formano

delle estroflessioni.

La pinocitosi è l’endocitosi di acqua, avviene nell’epitelio intestinale e si forma un’ introflessione

della membrana.

Compartimenti intracellulari:

Nucleo:

Il nucleo si trova solo nelle cellule eucariotiche, è rivestito dal cosiddetto involuco nucleare, fatto

da due membrane, quella esterna e quella interna, è quindi un doppio strato. La membrana

nucleare esterna è contigua in un’altra membrana, ovvero al membrana del reticolo

endoplasmatico. Presenta dei fori, detti pori nucleari in cui passano delle sostanze che arrivano al

citoplasma, o che dal citoplasma arrivano al nucleo. In questi pori si ha una “fusione” tra

membrana nucleare esterna ed interna, si chiama appunto membrana di fusione.

All’interno del nucleo c’è il nucleoplasma. All’interno dell’involucro nucleare troviamo: DNA,

RNA, il genoma ed un nucleolo, importante perché è la sede di assemblaggio del ribosoma. I pori

servono per i trasporti, in quanto nel nucleo attraverso questi c’è un continuo movimento, sono

moltissimi ed hanno un diametro piccolo per le molecole che devono passare, per le molecole più

grandi esistono dei sistemi di trasporto.

Sistemi di trasporto: Ci sono, per i trasporti di macromolecole, che sono molto più complessi,

diversi tipi:

-trasporto complesso, che avviene quando si trasportano delle sostanze che alla testa

presentano NLS;

-trasporto del poro, ovvero che avviene attraverso il complesso del poro che delimitano il

diametro del poro: import->proteine, esport->RNA.

Cromosomi: I cromosomi si trovano all’interno del nucleo, sono formati da tratti lineari di DNA con

l’aggiunta di alcune proteine (dette istoni), che vengono avvolte dal DNA. La funzione dei

cromosomi è quella di consentire la condensazione del DNA. Noi esseri umani abbiamo 46

cromosomi in tutte le cellule, ad eccezione dei gameti, che presentano 23 cromosomi in quanto

dovranno poi fondersi con altri gameti per creare le cellule figlie. Le cellule che hanno 23

cromosomi sono dette apolidi, ed hanno una copia per ciascun tipo di cromosoma; le cellule con

46 cromosomi sono dette diploidi o somatiche e presentano due copie per ciascun tipo di

cromosoma e quindi hanno patrimonio genetico 2n (2 perché 2 genitori, quindi un n è materno ed

uno paterno). Solo durante la divisione cellulare i cromosomi hanno la famosa forma ad x, quindi

solo durante la divisione cellulare la cromatina è compatta. L’insieme dei cromosomi è detto

cariotipo umano. Le “gambe” della x sono ddette cromatidi, che insieme formano il cromosoma,

ed il punto in cui i due cromatidi si uniscono è detto centromero.

Le proteine che formano i cromosomi sono gli estoni, sono delle proteine basiche molto particolari

attorno al quale il DNA si avvolge. A mano a mano che il DNA si avvolge il diametro cresce, ma la

lunghezza diminuisce. Gli istoni avvolti da DNA formano il nucleosoma, ovvero l’unità

fondamentale della cromatina.

La cromatina si divide in: eucromatina, fatta da DNA attivo trascrizionalmente, ed è poco

compatta; eterocromatica, fatta da DNA compatto e non attivo, che si divide a sua volta in

eterocromatica costitutiva se è sempre inattiva, ed eterocromatina facoltativa se si attiva in base

alle esigenze della cellula.

Nucleolo: Il nucleolo è una struttura che si trova nel nucleo che è la fonte che fabbrica i ribosomi.

Lamina nucleare: è un reticolo fatto di una proteina detta laminina che forma un’impalcatura al di

sotto della membrana interna, e che forma quindi una sorta di “scheletro” con funzione strutturale,

appunto.

Reticolo endoplasmatico:

E’ indicato con la sigla RE ed è contiguo alla membrana esterna del nucleo, occupa una bella

parte del volume della cellula. E’ formato da membrane che creano una sorta di reticolo, e si

distingue in:

-RE rugoso, sede della sintesi delle proteine da “esportazione”, forma dei tubicini e delle cisterne

ed è tappezzato da ridosomi che le proteine producono. Le proteine sono appunto dette da

“esportazione”, ovvero devono uscire ed arrivare alla membrana cellulare, all’esterno della cellula

oppure escono per formare i lisosomi. Le proteine vengono trasportate tramite vescicole in tutta la

cellula.

-RE liscio, sede della sintesi di lipidi e steroidi. Le cisterne sono molto piccole ed il loro interno

(detto lume) è collegato, quindi tutti i tubi e le cisterne sono collegati tra loro all’interno. I grassi

vengono trasportati tramite vescicole nella cellula.

Apparato di Golgi:

E’ una struttura simile al RE rugoso con una differenza: ogni lume non è collegato con l’altro. Le

facce del Golgi sono due: la faccia cis, che è la più vicina al nucleo; e la faccia trans, verso la

membrana cellulare. Per trasportare il materiale si usano due tipi di trasporto, che avvengono

contemporaneamente: trasporto anterogrado (da cis a trans) o retrogrado (da trans a cis).

Le vescicole arrivano alla faccia cis, il Golgi prende le proteine da esportazione, la modifica per

farla riconoscere e le rispedisce ad uno specifico compartimento che, dopo averla riconosciuta, la

trasporta alla faccia trans, dove le vescicole di compattano, avvengono altre modifiche ed alla fine

si avrà la proteina finale che arriverà a destinazione. Quindi possiamo dire che l’apparato di Golgi

è una sorta di “ufficio di smistamento” delle proteine. Infine possiamo dire che le modificazioni delle

proteine che avvengono nell’apparato di Golgi consistono nell’aggiunta di gruppi chimici e quindi si

parla di: glicosilazione = aggiunta di zuccheri, solfatazione = aggiunta gruppi solfato e

fosforilazione = aggiunta di gruppi fosfato.

Lisosoma:

I lisosomi sono piccole sacche delimitate da una membrana piene di proteine, dette idrolisi che

demoliscono proteine, zuccheri, lipidi ed acidi nucleici. Si parla di demolizione endogena ed

esogena in base alle sostanze demolite. Hanno una caratteristica principale: al loro interno il PH è

5, quindi è acido, mentre il PH della cellula è neutro. Il PH è acido perché le idrolasi funzionano

solo in ambiente con PH acido. Il PH acido è dovuto alla presenza sulla membrana del lisosoma di

una pompa, detta protonica, che prende H+ dall’esterno e lo inserisce all’interno, quindi il PH sarà

maggiore all’interno. Gli H+ tenderebbero ad uscire, ma la pompa continua a trascinarli dentro. Il

PH è importante per l’evoluzione del lisosoma, in caso di fuoriuscita di PH i lisosomi non

funzionano e si ha un invecchiamento delle cellule. Un esempio di questo tipo di situazione è una

malattia genetica di tipo neurologico, ovvero la Malattia di Toy Sachs, che si ha quando manca un

idrolisi nel lisosoma che serve per degradare i gangliosidi del sistema nervoso, quindi se si ha

eccesso di gangliosidi si ha un accumulo di essi nel citoplasma e la cellula nervosa si deteriora e si

ha una progressiva perdita di capacità nervose. Il lisosoma si dice primario se è appena formato,

altrimenti si parla di lisosoma secondario, quando esso si forma con il materiale degradato.

Perossisoma:

Strutturalmente è uguale al lisosolma, è formato da una membrana e da enzimi detti

detossificanti, ha funzione di degradazione di sostanze tossiche che la cellula produce.

Mitocondrio:

Il mitocondrio è la sede di produzione dell’energia elettrica e della respirazione cellulare. Sono più

numerosi in alcune cellule, come le muscolari e le nervose. Ha una doppia membrana (interna ed

esterna), l’esterna è semplice e lineare, mentre l’interna è atipica, presenta delle introflessioni dette

creste mitocondriali, che aumentano al massimo la superficie della membrana interna perché se

fosse diritta sarebbe minore, ad aumentare la membrana interna ci sono dei complessi proteici che

producono ATP. Il mitocondrio ha un suo specifico DNA, circolare con pochi geni e produce solo

proteine che servono per la respirazione cellulare. Tra le due membrane c’è lo spazio

intermembrana e la parte interna è detta matrice. Il DNA si divide e si duplica allo stesso modo di

quello dei batteri e ciò porta ad un’ipotesi:

ipotesi dell’origine endosimbiotica, ovvero si pensa che in passato il mitocondrio era un

procariote inglobato poi da un altro procariote, non capace di consumare ossigeno. Questo

secondo procariote si tiene a vivere con sé il mitocondrio in endosimbiosi (uno dentro l’altro,

mitocondrio dentro). Con ciò si riesce a capire perché il mitocondrio ha solo un DNA e perché si ha

una doppia membrana (una del procariote ed una del mitocondrio).

Citoscheletro:

Il citoscheletro si trova nel citoplasma, forma lo scheletro della cellula e quindi da forma e struttura

alla cellula. E’ una struttura retiforme fatta da proteine e da tre strutture principali:

-microfilamenti (o filamenti actimici) formati da una specifica proteina, detta actina, che è una

proteina contrattile. Sono formato da due filamenti di actina che si avvolgono l’uno sull’altro. Si

trovano al di sotto della membrana cellulare.

-filamenti intermedi, non formati da una specifica proteina, ma sono formati da vari tipi di

proteine. Si trovano intorno al nucleo ed all’interno del citoplasma, e sono ancorati alla membrana

e si allungano in tutte le direzioni.

-microtubuli, sono fatti da tubulina alfa e tubulina beta, nascono nello stesso punto (detto

centro di organizzazione microtubulare) vicino al nucleo e come i filamenti intermedi si dirigono

in tutte le direzioni.

Microtubuli: Sono fatti da un tipo di proteina, la tubulina che può essere tubulina alfa e beta. Una

tubulina alfa ed una beta si legano e creano un dimero, il legame tra due o più dimeri (allineati

perfettamente) formano il protofilamento, che si affianca ad altri protofilamenti creando il tubo

dove la cavità è detta lume. I protofilamenti sono ordinati allo stesso modo ed hanno due estremità

diverse: l’estremità dove si trova la tubulina alfa è detta estremità -, dove si trova la tubulina

beta è detta estremità +. Nel centro di organizzazione microtubulare troviamo tutte estremità -,

mentre l’estremità + è quella che può o meno allungarsi nel citoplasma.

Il metodo di allungamento è questo: i dimeri che si aggiungono sono “carichi” perché

precedentemente erano legati al GTP (guanintrifosfato) e quindi sono energizzati, ma una volta

che il dimero si aggancia resta energizzato, ma con l’aggiunta di altri dimeri e con il tempo questi

perdono l’energia intrinseca. Gli ultimi aggiunti, quindi, restano energizzati, e per questo l’ultima

parte di dimeri è detta cappuccio di GTP, che rende stabile il microtubulo. Con il tempo anche il

cappuccio perde carica e si ha l’accorciamento, dovuto quindi alla perdita di GTP.

I microtubuli consentono il movimento dei cromosomi, soprattutto durante la divisione cellulare,

attraverso il fuso mitotico o meiotico, che distribuisce i cromosomi nelle due cellule figlie;

consente il movimento delle molecole, soprattutto nei neuroni.

I microtubuli sono al di sotto della membrana cellulare ed abbiamo nove coppie di microtubuli più

due microtubuli centrali (struttura 9+2). I microtubuli delle coppette non sono perfetti, ogni coppia

ha un microtubuli completo ed uno agganciato al completo, si muovono tramite scivolamento l’uno

sull’altro, quindi è molto importante capire che la forza di scorrimento totale coincide con il

ripiegamento e ci sono delle proteine che permettono lo scorrimento, dette dineine e chinesine.

La differenza tra queste due proteine è che mentre le dineine permettono lo scorrimento da + a -,

le chinesine permettono lo scorrimento da - a +.

Filamenti intermedi: I filamenti intermedi sono simili ai microtubuli, sono fatti da monomeri di

proteina e a seconda della proteina la struttura è uguale. Un monomero si lega ad un altro e

formano il dimero (due proteine avvolte su se stesse ed allineate perfettamente), due dimeri

formano un tetromero (due dimeri uno di fianco all’altro sfasati e disposti in modo testa-coda), due

tetromeri formano gli ottomeri (due tetrameri uno di seguito all’altro). Il filamento intermedio è un

ottametro ed un filamento è fatto da otto ottameri. Ciò perché è più resistente ed elastico.

Servono, infatti, per tenere insieme i tessuti cellulari (NB questo è un compito svolto dalle

giunzioni cellulari, che tengono insieme le membrane di due cellule, sono punti in cui i filamenti

intermedi si ancorano.

Le proteine componenti dei filamenti intermedi possono essere: citoplasmatiche, nucleari.

Microfilamenti: I microfilamenti sono filamenti actinici, fatti appunto da actina, importanti per la

contrazione muscolare. Hanno ruolo strutturale in alcune cellule, l’actina è implicata nel movimento

cellulare e forma i microvilli, ovvero delle strutture simili alle ciglia, sulle cellule, nelle zone in cui si

deve far assorbire una sostanza. I microfilamenti sono importanti per la contrazione muscolare,

che sarebbe semplicemente lo scivolamento di microfilamenti. Ci sono due tipi di muscoli, e quelli

interessati alla contrazione sono i muscoli striati. Le striature presenti su questi muscoli sono i

sarcomeri, insieme di proteine ordinate.

La contrazione avviene per contrazione di sarcomeri del muscolo contemporaneamente (avuto da

scivolamento di filamento di actina su quello di miosina. Lo scivolamento richiede energia, se il

muscolo non è contratto la miosina è ancorata all’actina, con la contrazione arriva l’ATP, si lega

alla misogina che si stacca dall’actina, l’ATP viene consumato, si rilascia ADP e si ha un

movimento della miosina, che si riattacca all’actina, ma non nella stessa posizione, ma più avanti,

trasportando con se l’actina e quindi si ha un movimento visivo.

Matrice extracellulare:

La matrice extracellulare è ciò che si trova al di fuori della cellula. Ha una funzione di impalcatura e

si trova tra un tessuto e l’altro. E’ composta da proteine, o complessi proteina-zucchero come il

collagene, l’elastina e i proteoglicani. Queste proteine tengono uniti due tessuti. Il collagene si

trova tra tessuto epiteliale e tessuto connettivo. I tessuti dopo anni si rovinano, si hanno le rughe,

perché il collagene con il tempo manca di elasticità. L’elastina si trova nei tessuti che cambiano

frequenteente volume, come la vescica. Le giunzioni cellulari sono regioni di unione tra due

tessuti, e possono essere: strette, dette botanici, che stringono qualcosa, non servono per unire le

cellule, ma per chiudere l’accesso a qualcosa, sono formate da due membrane di due cellule che

chiudono l’interstizio; adesive, che ancorano le cellule tra loro, sono: desmosomi, emidesmosomi

e aderenti. Differiscono per cosa legano: i primi legano i filamenti intermedi, i secondi tengono

unita la cellula al tessuto sottostante, le ultime legano i filamenti di actina; comunicanti, sono dei

canali che consentono a due cellule di scambiarsi del materiale velocemente e coordinatamente. I

canali sono delimitati da proteine, il canale di una cellula è sovrapposto a quello dell’altra. Possono

essere chiusi o aperti in base alle necessità della cellula.

Comunicazione cellulare:

Trasduzione del segnale a livello cellulare: La trasduzione del segnale è un processo di

conversione di un tipo di segnale in un altro tipo ed essa può avvenire tra cellule vicine o distanti.

Tra le cellule a distanza vi è una segnalazione di tipo endocrino (attraverso il sangue). E’ un

trasporto semplice, che va dal corpo cellulare ad una cellula, detta cellula bersaglio (cellule a cui

arriva il messaggio). Tra cellule vicine vi è un trasporto di tipo paracrino mediante una molecola

segnale e le cellule circostanti ai recettori rilevano il segnale. Vi sono, poi, altri due tipoi di

trasduzione: a contatto diretto, ovvero a contatto dipendente. Vi sono delle cellule che sono,

appunto, a contatto tra loro o proprio vicine, oppure hanno un contatto membrana-membrana

oppure recettore-membrana oppure molecola segnale-membrana; comunicazione neuronica,

ovvero un trasporto a distanza (in quanto l’assone è lungo) che termina poi con una

comunicazione paracrina. Per tutti questi tipi di comunicazione c’è una cellula che “trasmette”

mediante molecole (segnalazione di tipo chimico) il segnale ad una cellula che percepisce, ovvero

il recettore, e dopo che quest’ultimo riconosce il messaggio lo codifica e risponde.

La segnalazione cellulare è composta di tre fasi:

1.Ricezione del segnale: La ricezione del segnale è mediata dai recettori specifici per la cellula

segnale (che possono essere sulla membrana o all’interno della cellula ricevente, quindi di

superficie o intracellulare). I recettori intracellulari (o addirittura all’interno del nucleo) sono meno

comuni perché deve essere piccolo ed idrofobo per entrare all’interno della cellula. Sia che siano

interni sia che siano esterni i recettori sono utilizzati dalla cellula per rispondere ai segnali. I

recettori di membrana esistono di tre tipi: associati a proteine G, recettori tirosin-chinasici e

recettori canale-ionico. I recettori associati a proteine G sono recettori che sono appunto, sulla

membrana, vicini ad una proteina G, ovvero una proteina che esiste in due forme, GTP o GDP. La

molecola segnale, riconosciuta, si lega al recettore e ciò fa si che la proteina G viene caricata

(diventa GTP), si stacca dal complesso e migra dalla membrana fino a che non arriva ad essere a

contatto con un enzima ed essendo carica la proteina G fa attivare l’enzima che svolge la sua

determinata funzione. Queste attivazione una dopo l’altra portano il segnale fino a che la molecola

segnale torna libera e si comincia tutto da capo. I recettori tirosin-chinasici sono fatti da due

monomeri separati leggermente. Una volta arrivata la molecola segnale essa si lega ad uno dei

due monomeri e l’altro cerca di avvicinarsi e si crea, una volta avvicinato anche l’altro monomero, il

complesso molecola segnale-dimero. Questi monomeri, però, hanno una particolare caratteristica,

ogni monomero ha una regione in cui fa attività di tipo chinosico. Quelle due parti si attivano,

attaccano gruppi fosfato sulle tirosine (proteine) (i due monomeri si fosfolirano l’uno con l’altro) ed

accade che i gruppi fosfato attivano il recettore, ma è il recettore stesso che diventa una sorta di

enzima. Ad ogni gruppo fosfato si legano delle molecole che, legandosi, si attivano ed una volta

staccate dal recettore compiono la loro funzione specifica. Si sa che da ogni molecola segnale si

hanno sei proteine, ovvero sei molecole attive. Quindi non solo si ha una trasmissione del segnale

all’interno della cellula, ma con questo tipo di proteine il segnale si amplifica anche. I recettori

canali-ionici sono canali che una volta legati alla molecola segnale si aprono e formano appunto

un canale dove fanno passare le molecole che passate vanno a compiere il proprio lavoro. Vi sono

varie possibili conseguenze alla ricezione del segnale: modifica di funzione di alcune cellule

presenti nel citoplasma; modifica dell’espressione del gene; modifica della struttura. Solitamente

una cellula per avere una risposta più completa le fa tutte e tre assieme.

2.Trasduzione:

La trasduzione del segnale è il processo che porta dalla ricezione alla risposta. E’ la fase in cui si

attiva l’amplificazione del segnale, in cui il segnale cambia continuamente per essere poi

riconosciuto e portare ad una risposta. E’ la fase, quindi, più critica perché durante le modifiche del

segnale basta un minimo errore per avere una risposta sbagliata.

3.Risposta:

La risposta può essere di diversi tipi. Alla fine della comunicazione cellulare una cellula può

aumentare la sua sopravvivenza, se non è in grado di ricevere determinati messaggi (che sono

tipo avvisi di attenzione) dopo un po muore. La morte naturale della cellula è detta apoptosi ed il

materiale delle cellule morte viene riciclato.

I Virus:

I virus sono agenti patogeni, non sono cellule, ma sono parassiti incapaci di vita autonoma, infatti

per riprodursi hanno bisogno di infettare altre cellule. Sono fatti da un acido nucleico (DNA o RNA)

e da proteine, più in particolare sono fatti da acido nucleico su cui si avvolgono le proteine, che lo

proteggono. I virus si classificano in base a: tipo di ospite che infettano, acido nucleico che

contengono e forma.

I virus in base al tipo di ospite che contengono sono tre: fagi (o batteriofagi) che infettano

batteri; animali oppure vegetali (che infettano cellule animali o vegetali). I virus in base alla

forma sono elicoidali, icosaedrici (poligoni) o altro (complessi). I virus in base all’acido

nucleico possono essere a DNA (a singolo o doppio filamento, come ad esempio il virus del

papilloma) oppure ad RNA (come ad esempio il morbillo, gli orecchioni). Importante è che alcuni

virus ad RNA possono fare il processo di trascrittasi inversa (da RNA a DNA) e sono pericolosi per

l’HIV.

-Batteriofagi: I batteriofagi possono essere di due tipi: virulenti (danno vita al ciclo litico) oppure

temperati (collegati al ciclo lisogeno).

Infenzione: Un virus si aggancia alla membrana del batterio ed inietta all’interno di essa e della

cellula l’acido nucleico che, una volta iniettato, sfrutta i meccanismi interni della cellula. Se si

hanno batteriofagi con ciclo litico l’acido nucleico si duplica, sintetizza l’RNA e si ha una cellula

piena di DNA e proteine virali che formano nuovi virus, detti virioni e la cellula “scoppia” e lascia

andare i virioni che infetteranno altro. Se si hanno batteriofagi con ciclo lisogeno, ovvero dei virus

con fase di latenza utile per aspettare le condizioni favorevoli alla moltiplicazione, si resta in una

situazione latente all’inizio, perché integra l’acido nucleico con il DNA della cellula ospite (fase

profago). Dividendosi la cellula duplica il DNA ed il DNA virale e quindi le cellule figlie saranno già

contaminate e lo trasmetteranno alle altre cellule figlie e così via. Il ciclo riproduttivo di virus

animali e vegetali è simile, la differenza è il modo in cui l’acido nucleico entra nella cellula, in

quanto in questo caso abbiamo un processo di endocitosi.

I prioni non sono veri e propri virus, ma sono delle proteine che abbiamo e che funzionano

normalmente, senza creare disagi, all’interno di un corpo sano. Se per queste proteine ci sono

delle mutazioni si hanno delle cosiddette malattie prioniche, in questo processo le proteine

mutate si legano alle “sane” e le mutano in questo modo la cellula si riempie di cellule mutate e

muore (es. mucca pazza).

Reazioni chimiche e metabolismo:

Un metabolismo è un insieme di reazioni chimiche che partono da nutrienti ed arrivano all’energia

(o viceversa) come, ad esempio, la fotosintesi clorofilliana, la respirazione cellulare e la

fermentazione (alcolica o lattica). Le reazioni chimiche sono poche in cellule in cui non esistono

enzimi. Le reazioni che vanno da macromolecole a molecole semplici liberano energia (perché

rompono i legami) e sono dette spontanee (o esoergoniche). Le reazioni spontanee hanno un

DELTAG negativo. Il DELTAG è la differenza di energia libera, ovvero l’energia intrinseca delle

molecole che reagiscono all’interno della reazione). Il delta è negativo e quindi si libera energia. Le

reazioni, invece, in cui bisogna fornire energia sono dette non spontanee (o endoergoniche) ed

hanno DELTAG positivo.

Solitamente la formula di una reazione è: ReagenteA+ReagenteB—>Prodotti

Oltre l’energia libera vi è un altro tipo di energia molto importante per le reazioni chimiche,

l’energia di attivazione (diversa da reazione a reazione). L’energia di attivazione è la quantità

minima di energia che due molecole devono avere prima che collidono. E’, quindi, un energia che

deve permettere la reazione e quindi la collisione efficace tra le due molecole. Ogni reazione ha

una soglia di attivazione.

Gli enzimi servono per abbassare questa soglia di attivazione, quindi aumentano l’efficienza e la

velocità delle reazioni. Gli enzimi sono specifici, sono delle proteine che si associano a dei

substrati (complesso enzima-substrato) che poi trasformano in prodotti (complesso enzima-

prodotto).

L’enzima prima e dopo deve restare invariato: E+S—>ES—>EP—>E+P. Dopo la reazione, quindi,

l’enzima lascia il prodotto e torna alla sua situazione iniziale per ricompiere la sua funzione da

capo con altri substrati.

La catalisi enzimatica è questa: il substrato entra nel sito attivo, si forma il complesso ES, il

substrato diventa prodotto e quindi ES diventa EP ed infine E e P si staccano. C’è uno specifico

enzima per ogni nostra reazione. La specificità dell’enzima è data dalla struttura tridimensionale

dell’enzima stesso, infatti il sito attivo ha una forma complementare a quella del substrato da

legare (specificità di substrato). L’enzima facilita la reazione perché avvicina i prodotti e facilita il

“rapporto” tra loro e la loro collisione. Cinetica enzimatica: Aumentando il substrato aumenta la

velocità della reazione, ma sperimentalmente si è visto che ad un certo punto la velocità si ferma,

arrivando ad una velocità massima, questo perché una volta che tutti i siti di legame per il

substrato sulle molecole di enzima sono tutte occupate (saturazione di tutti gli enzimi) la velocità

non aumenta più. Le caratteristiche degli enzimi sono: specificità di reazione, specificità di

substrato e specificità di gruppo (ci sono enzimi che riconoscono tutte le molecole che presentano

in struttura uno specifico gruppo chimico).

Gli enzimi vengono regolati, quindi possono essere attivati o inibiti. Gli inibitori sono esterni alla

reazione chimica e possono essere: reversibili se creati dalla cellula per bloccare

temporaneamente l’attività della cellula e irreversibili se sono molecole che provengono

dall’esterno, che bloccano per sempre l’attività.

Atutotrofismo ed eterotrofismo:

Si definiscono come organismi autotrofi (dal greco "autos" = da se stesso e "trophos" =

alimentazione) quelli capaci di nutrirsi utilizzando solamente semplici sostanze inorganiche, come

avviene per le Piante che necessitano solo di anidride carbonica ricavata dall'aria, di acqua e sali

minerali assorbiti dal terreno.

Gli organismi eterotrofi (dal greco "héteros" = altro, differente) si nutrono di sostanze organiche

prodotte dagli organismi autotrofi: è tipico il caso degli Animali che si alimentano direttamente

(erbivori) o indirettamente (carnivori) di vegetali. Un caso importante di eterotrofismo è quello dei

decompositori capaci di nutrirsi di detriti organici di animali e piante presenti nel terreno.

Le piante sono fotoautotrofe perché utilizzano il Sole come fonte di energia; in casi molto più rari,

come accade per alcuni batteri, l'organismo ricava l'energia necessaria dall'ossidazione di

sostanze inorganiche (chemioautotrofia).

La respirazione cellulare:

La respirazione cellulare è un processo esoergonico che produce energia in presenza di

ossigeno, ovvero in aria aerobia. In assenza di ossigeno si hanno dei meccanismi alternativi alla

respirazione cellulare, come ad esempio la fermentazione. Entrambi i processi partono da una

situazione comune, la glicolisi (primo processo metabolico) in quanto non necessita di ossigeno.

La respirazione cellulare, quindi, parte da zuccheri e lo zucchero più comune è il glucosio

(C6H12O6).

La definizione chimica della respirazione cellulare è: C6H12O6 + 6O2 —> 6CO2 + 6H2O + ATP

L’unico vero prodotto della respirazione cellulare è l’ATP, quindi l’energia.

Questo processo è un processo di ossidazione del glucosio, ovvero una saturazione dovuta alla

perdita di molecole di H e, quindi, di elettroni. Contemporaneamente avvengono dei processi di

riduzione (assunzione di H ed elettroni). Si hanno, quindi, in generale, dei processi di ossido-

riduzione. La sostanza che dona gli elettroni è detta agente riducente, quella che prende elettroni

è detta agente ossidante. Questo tipo di processo avviene in varie reazioni, ma ciò non si può fare

tutto d’un botto, perché si libererebbero troppi elettroni che la cellula perderebbe subito perché non

in grado di accogliere così tanti elettroni in un determinato tempo, quindi avviene in “scaglioni” o

“salti”. Vi è, quindi, una divisione del processo in varie tappe e l’energia che man mano si

raccoglie forma l’ATP. La molecola che è in grado di raccogliere ed immagazzinare l’energia è la

NAD che può presentarsi in due diversi modi (ossidata o ridotta). Gli elettroni, e quindi le molecole

di H, vengono inizialmente avvicinate al NAD che si trasforma in NADH, il quale ad un certo punto

cederà tutti gli elettroni che verranno utilizzati per produrre ATP (ultima fase) ed una volta ceduti

torna ad essere NAD (simile al NADH è il FADH).

Fasi della respirazione cellulare:

Il processo della respirazione cellulare avviene, tranne per la glicolisi, all’interno del mitocondrio e

si divide in quattro fasi:

1.Glicolisi: La glicolisi avviene nel citoplasma ed è l’unica fase comune a tutti. Si parte da

C6H12O6 e si hanno due molecole di piruvato (o acido piruvico), ovvero si passa da sei

molecole di carbonio a due molecole ognuna da tre atomi di carbonio, quindi essendoci una rottura

di legami si inizia a disperdere energia. Si divide in tre fasi:

1° fase: è una fase a dispendio di energia. In questa fase un glucosio + 2ATP vanno a formare il

fruttosio 1-6 bisfosfato.

2° fase: in questa fase non si produce né si perde energia, vi è la prima rottura della molecola.

Tagliando a metà il fruttosio 1-6 bisfosfato si hanno due gliceraldeide 3 fosfato.

3° fase: in questa fase si produce energia, da due molecole di gliceraldeide 3 fosfato si hanno due

molecole di piruvato a tre atomi di C ed il risultato è: 2ATP + 2NADH.

In totale nella respirazione cellulare, inizialmente la cellula perde due ATP, ma poi riacquista 4 ATP

(quindi ne acquista 2) e 2 NADH.

2.Formazione dell’acetil coenzima A: Il piruvato deve entrare all’interno della membrana e quindi

forma l’acetii coenzima A: i due piruvati vengono tagliati, si libera CO2 e si formano due molecole

di acido acetico e per ogni acido acetico si ha un acetil coenzima A.

3.Ciclo di Krebs: L’acetil coenzima A è il punto di partenza del ciclo di Krebs. Nella matrice

mitocondriale inizia il Ciclo di Krebs, ovvero una serie di reazioni che si susseguono e partendo da

una molecola arrivano alla stessa (per questo “ciclo”). Questo ciclo viene fatto due volte per ogni

glucosio perché ad ogni glucosio corrisponde un acetil coenzima A. Ogni acetil coenzima A si lega

con l’ossalacetato (con quattro C) e in seguito si forma del citrato (6 C) che serve per consentire

la divisione del passaggio di elettroni. Il citrato viene subito a perdere un C e quindi si arriva ad

avere 5 C, quindi dal NAD si passa al NADH e poi arriviamo ad avere nuovamente 4C. Ora questo

composto con 4C torna ad essere ossalacetato e quindi si comincia da capo. Questa riconversione

porta ad avere una liberazione di ATP, NADH e FADH, quindi di energia.

4.Trasporto di elettroni: A questo punto NADH e FADH cedono gli elettroni per produrre energia.

NADH cede i suoi elettroni ad un complesso (primo complesso della catena) che si riduce

(mentre NADH si ossida) e trasferisce gli elettroni al secondo complesso che si riduce (mentre il

primo si ossida). Il secondo complesso trasferisce elettroni ad un terzo complesso e così via.

L’ultimo complesso è la citocromo ossidasi ovvero un enzima che trasferisce tutti gli elettroni

all’ossigeno, quindi l’accettore finale della respirazione cellulare è l’ossigeno che diventa H2O.

Ogni complesso trasferiscce H+ fuori la matrice mitocondriale nello spazio intermembrana e quindi

si avrà un numero maggiore di H+ all’esterno. Per avere equilibrio la molecola va dalla parte con

più H+ a quella con meno H+, quindi gli H+ rientrano attraverso l’ATP sintasi. A questo punto gli H+

entrano e l’ADP viene convertito in ATP attraverso il processo chemiosmastico.

Fermentazione:

E’ un processo di ottenimento di energia in condizioni di anaerobiosi. Tipica delle cellule muscolari

scheletriche in alcuni tipi di attività:

- attività fisica moderata, condizioni aerobiche

- attività fisica intensa, condizioni anaerobiche

Con la glicolisi (che di per sé non richiede ossigeno) si produce piruvato e una piccola quantità di

ATP (2 molecole di ATP ogni molecola di glucosio).

Durante la glicolisi deve essere presente il NAD+ come accettore di elettroni. Il NAD+ può essere

rigenerato dal NADH in condizioni aerobie (presenza di ossigeno e catena di trasporto degli

elettroni).

Questo riciclaggio del NAD+ non può avvenire in condizioni anaerobiche. Il NAD+ viene rigenerato

a spese dell’acido piruvico, che viene trasformato in un prodotto di rifiuto come l’acido lattico

(fermentazione lattica) o l’alcol etilico (fermentazione alcolica).

La fermentazione lattica avviene in microrganismi e cellule muscolari in contrazione protratta e

no nelle cellule nervose danno repentino in mancanza di ossigeno. Avviene quando le cellule

non riescono più a produrre energia necessaria con la respirazione cellulare.

La fermentazione alcolica si ha nei lieviti e nelle cellule vegetali ed è un processo che richiede la

presenza di due enzimi.

Genetica:

Divisione cellulare: La cellula in realtà non può sempre continuamente dividersi. Alcune

cellule (come ad esempio il neurone) dopo essersi differenziate alcune volte non possono più

dividersi e ciò porta al cosiddetto invecchiamento cerebrale. Altre cellule continuano a dividersi

continuamente, come le cellule epiteliali, oogoni e spermatozoi anche, dette cellule pluripotenti.

Altre cellule differenziate normalmente non si dividono più autonomamente, ma possono farlo

attraverso agenti esterni (es. fegato). Qualsiasi cellula di questi tre tipi, però, ha un proprio ciclo

vitale.

Il ciclo cellulare è composto da quattro fasi uguali per ogni cellula, la differenza tra cellule è il

tempo di percorrenza di ogni fase.

1° fase->Fase G1, dove G sta per GAP. E’ la fase più lunga, è una fase di intervallo in cui la

cellula, dopo la nascita, cresce e si appresta a formare nuove cellule.

2° fase->Fase S, dove S sta per sintesi. E’ una fase in cui ogni cellula deve avere un DNA che in

questo momento si duplica.

3° fase->Fase G2, in cui la cellula subisce dei cambiamenti strutturali e si avvicina alla fase

principale, che è la quarta, ovvero la vera e propria divisione cellulare.

4° fase->Fase M, in cui M sta per meiosi o mitosi, durante la quale la durata è la stessa per tutte le

cellule.

La fase G1, la fase S e la fase G2 formano, assieme, la cosiddetta interfase (fase intermedia tra

una divisione e l’altra). L’interrasse è una fase in cui il DNA si trova nel nucleo in stato rilasciato

perché attivo e perché dovrà essere trascritto e duplicato.

La mitosi è fatta da tutte le cellule. E’ una divisione equazionale, ovvero la cellula madre si divide

in due cellule figlie identiche tra loro ed identiche alla cellula madre. La mitosi è composta da 5

fasi: provasse, prometafase, matefase, anafase e telofase e finisce con la vera e propria

divisione fisica della cellula.

Profase: In questa fase si ha una cellula con DNA duplicato, che dovrà iniziare a condensarsi.

Quindi in questa fase si passa da DNA rilasciato a DNA condensato, con cromosomi distinguibili.

Inizia a formarsi il fuso mitotico (ovvero dei microtubuli che si formano in alcuni centri specifici e

si diramano, poi, in diverse direzioni). Inoltre in questa fase i cromosomi sono formati da due parti

(cromatidi) che sono tenuti insieme da una proteina, detta coesina, e ciò è quello che permette ai

cromosomi di non rompersi.

Prometafase: In questa seconda fase l’involucro nucleare si rompe, rilasciando cromosomi

all’interno del citoplasma. L’involucro, però, non viene degradato, ma si spezzetta ed i vari pezzi

verranno poi riutilizzati a fine mitosi per comporre gli involucri nucleari delle cellule figlie. La

coesina, in questo momento, si degrada, i cromatidi restano uniti solo in un punto, il centromero,

da cui partono dei microtubuli. Il centromero, quindi, è un punto importante perché è lì che si

agganceranno i microtubui del fuso mitotico. Questi microtubuli, quindi, si agganciano in una

specifica parte di OGNI cromatide, detta cinetocore.

Metafase: In questa fase si ha il grado massimo di compattazione dei cromatidi. Tutti i cromosomi

sono allineati a metà della cellula (lungo la cosiddetta piastra equatoriale) grazie all’aggancio del

fuso mitotico con un cinetocore di un cromosoma. Quando il fuso mitotico si forma i microtubuli si

allungano e “pescano” continuamente i microtubuli del cinetocore di un cromosoma che si lega da

una parte e anche dall’altro lato ci sarà un altro microtubulo che “pesca” e si aggancia all’altra

parte del cinetocore dello stesso cromosoma. A questo punto i microtubuli tendono a tirare il

microtubulo pescato verso il proprio polo (a causa dell’accorciamento dei microtubuli) e quindi il

cromosoma si posizionerà in maniera equa, ovvero perfettamente al centro. (NB. Nella mitosi i

cromosomi omologhi non sono dipendenti l’uno dall’altro, ma sono divisi, ognuno compie il suo

processo).

Anafase: In questa fase i cromosomi sono distribuiti all’interno della cellula. A livello del

centreremo i cromatidi si staccano e ognuno viene trasportato in uno dei due poli dal proprio

microtubulo. Questa migrazione è data dall’accorciamento del microtubulo ma è anche causata

dalle proteine che si muovono sui microtubuli che facilitano il movimento del cromatide. Grazie a

questo meccanismo i cromosomi si distribuiscono equamente in ogni polo (metà in un polo e l’altra

metà in un altro).

Telofase: In questa fase avviene la vera e propria “divisione”. Si formano le due cellule figlie.

Attorno ai gruppi di cromosoma ai poli (fatto dai singoli cromatidi dei cromosomi precedenti) si

ricrea l’involucro nucleare. Il fuso mitotico e i microtubuli si degradano e si ha una separazione del

citoplasma tra un polo e l’altro della cellula. Si ha, quindi, una divisione netta delle due cellule,

dovuta ad una “strozzatura” sulla cellula madre, dovuta alla presenza di un anello contrattile (fatto

di actina).

La mitosi serve per produrre le cellule somatiche. Le cellule embrionali possono dividersi massimo

50 volte, se viene fatta la divisione un numero più elevato di volte, si hanno i tumori. La mitosi,

però, è controllata. Se una cellula non è pronta per essere divisa deve essere bloccata. Si hanno

diversi tipi di meccanismo di controllo prima della divisione cellulare e si hanno, in particolare, due

diversi checkpoint: uno dopo la fase G1 ed uno dopo la fase G2. Il primo punto di checkpoint è

un sistema che verifica lo stato della cellula. Se la cellula è corretta passa alla fase S, altrimenti

viene bloccata e ci sono due possibilità, o riesce a ripararsi oppure viene indotta a morire

attraverso un “suicidio controllato” detto apoptosi. Nel secondo punto di checkpoint, invece, si

verifica se la cellula ha duplicato correttamente ed in modo completo il proprio DNA.

I punti di controllo hanno un meccanismo complicato. La regolazione può funzionare grazie

all’aiuto di determinate proteine, come le proteine cicline, che sono presenti nelle cellule e che

sono prodotte in diversi modi in base alla fase del ciclo cellulare. Le cicline si legano con degli

enzimi, più in particolare con delle chinasi (che fosforilano) dette chinasi ciclone dipendenti

(CDK). Una ciclina (D) viene prodotta in G1, la sua quantità aumenta in G1, si lega ad un CDK,

che si attiva e inizia a fosforilare la proteina RB (il legame ciclina CDK avviene in determinate

situazioni). Una volta fosforilata la RB viene fosforilata anche da un’altra ciclina (E). In questo

momento se l’RB è fosforilato viene bloccato. Solo se RB è silenziato la cellula può entrare nella

fase S (ad esempio), altrimenti no. Tutto, quindi, dipende dall’attivazione o meno dell’RB e quindi

della corretta fosforilazione da parte delle cicline (D ed E) e CDK.

I tumori: I tumori sono complessi di cellule che sfuggono alla regolazione, quindi sono cellule il

cui ciclo cellulare non è regolato e quindi entrano in divisione in ogni caso. Ciò accade perché

sono cellule che in precedenza hanno subito mutazioni. Se si accumulano varie mutazioni

drastiche per il ciclo cellulare si crea la prima cellula tumorale che parte alla proliferazione della

massa tumorale. Le cellule tumorali non subiscono l’apoptosi. I tumori possono essere di due tipi:

benigni, ovvero masse che si riproducono continuamente ma in una zona circoscritta da un

tessuto) e maligni (cellule che riescono ad infettare altri tessuti vicini). I tumori maligni e le loro

cellule capaci di infettare portano alla metastasi, ovvero la nascita di masse che non subiscono

inibizione nella crescita. Le cause delle mutazioni possono essere naturali, indotte da qualcosa (es

composti chimici cancerogeni, radiazioni ionizzanti, raggi UV, virus con fase latente). I geni per

evitare i tumori sono: oncosoppressori (controllano la proliferazione delle cellule tumorali) come il

RB ma se anche l’RB è mutato è reso sempre attivo e quindi tutte le cellule passano il controllo.

La meiosi serve a produrre i cosiddetti gameti. Se non avessimo meiosi ma sempre mitosi

avremmo un embrione con quattro numeri di cromosomi, ovvero avremmo una situazione non

vitale. Nella meiosi si ha una divisione dei cromosomi in due fasi che portano a cellule aploidi,

quindi con n cromosomi.

Le fasi presenti nella mitosi qui si presentano nella stessa sequenza ma due volte consecutive,

quindi avremmo ,ad esempio la profase 1 e la profase 2 e così via. Si divide la meiosi, quindi, in

due fasi principali: meiosi 1 e meiosi 2.

La prima meiosi è una fase riduzionale, che deve semplicemente dimezzare il numero di

cromosomi. La seconda meiosi è, invece, simile alla mitosi.

Nella meiosi si parte da una cellula che avrà due cromosomi (1 paterno ed uno materno) che dopo

la fase S si divideranno ognuno in due cromosomi quindi se ne avranno quattro finali.

Nella prima meiosi, quindi, si avrà una separazione dei cromosomi analoghi in due diverse

direzioni. Nella seconda si avrà una separazione dei cromatici del cromosoma.

Profase I: E’ una fase importante per l’evoluzione della specie. Avviene che la cromatina si

addensa, si forma il fuso mitotico, ma non c’è la cosina che lega i due cromatidi, ma si formano dei

cromatidi bivalenti (due cromosomi omologhi insieme). L’unione tra i due cromosomi omologhi che

porta ad un estremità dei cromosomi fino ad unirli è detta sinapsi. I due cromatidi di due

cromosomi omologhi (quelli a contatto tra loro) possono, in questa fase, scambiarsi materiale

genetico in un determinato punto. Questo è il cosiddetto crossing over, che fa si che ognuno di

noi è diverso dall’altro. Con il crossingover si ha la nascita di cromosomi mai esistiti prima. In

questo momento si degrada la sinapsi ed i cromosomi restano uniti solo nel punto di scambio e

poi infine si staccano, formano i cromatidi ricombinati.

Metafase I: In questa fase si crea il fuso mitotico, i cromatidi si posizione nella fascia equatoriale a

coppie (omologhi insieme).

Anafase I: I cromosomi omologhi vanno in due direzioni diverse (ogni cellula figlia riceve uno dei

due cromosomi omologhi di ogni tipo).

Dopo le cinque fasi I, cominciano le fasi II che però sono una vera e propria mitosi.

A livello di DNA la mitosi va di pari passo con il livello di cromosomi. Per la meiosi, invece, fino alla

fase S si ha lo stesso, ma nella prima divisione cellulare abbiamo un primo dimezzamento di

cromosomi e DNA. Il processo di meiosi maschile e femminile è leggermente diverso. Per i ragazzi

la meiosi, detta anche speratogenesi è pura, porta a quattro cellule figlie ed è una meiosi vera e

propria. Per le ragazze si ha l’oogenesi ed il prodotto di tutto non è quattro cellule figlie, ma una

sola cellula uovo in quanto le cellule che si vanno a formare volta per volta sono una più piccola

dell’altra, in quanto il citoplasma non viene diviso equamente e quindi le cellule piccole (dette corpi

polari) vengono eliminati dal corpo femminile perché per aver vita devono avere abbastanza

citoplasma. Tra la meiosi maschile e quella femminile vi è anche un’altra differenza, di tipo

temporale: la spermatogenesi inizia durante la pubertà e continua per sempre, mentre l’oogenesi

inizia già in fase embrionale (nascita), comincia a funzionare nella pubertà (una cellula uovo per

ogni mese) e finisce con la “menopausa”. Conseguenze della meiosi: La meiosi è importante

perché consente l’evoluzione della specie, perché modifica il patrimonio genetico e quindi rende un

figlio diverso dal genitore. La differenza tra i due individui è dovuta al crossing over, ovvero la

ricombinazione ed all’assortimento casuale dei cromosomi nella meiosi. Le possibili combinazioni

dell’assortimento sono date dalla formula: 2^n, dove n è il numero di cromosomi (negli esseri

umani 2^23) e ciò rende ogni individuo unico.

Tappe della genetica:

La genetica nasce nel 1865 con le famose leggi di Mendel. In questo periodo, però, non si

conosceva il DNA quindi non si conosceva con precisione il perché dei procedimenti che facevano

accadere determinate cose, Mendel era un monaco, fu mandato a studiare in un’Università molto

prestigiosa frequentata da importanti scienziati. E’ qui che ha imparato a convertire le osservazioni

in numeri, cosa mai fatta fino ad allora. Egli studiò la trasmissione dei caratteri (ciò che studiava,

es. colore del fiore) e dei tratti (forma particolare del carattere, es. viola). Egli identificò come

organismo modello una pianta di piselli. Questo tipo di pianta è di per sé molto semplice, infatti

ciascun carattere è regolato da un solo gene, quindi è un organismo monofattoriale. Questa

pianta inoltre era facilmente coltivabile, i caratteri e tratti erano facilmente distinguibili ed inoltre

era un organismo capace di autoimpollinarsi. Mendel studiò sette caratteri di questa pianta: colore

del fiore, colore del seme, forma del seme, colore del baccello, forma del baccello, lunghezza dello

stelo e posizione del fiore (assiale oppure terminale). L’esperimento: La pianta, potendosi

impollinare, darebbe come risultato sempre stessi ed identici “figli”, quindi Mendel, dato che voleva

un determinato incrocio, attuò una cros-impollinazione. Eliminò l’organo maschile (stami), ovvero

il polline, lasciando solamente il femminile (cappello) e trasferì il polline di un’altra pianta al

cappello di questa. Ad esempio egli prese in considerazione due piante, una con fiori viola ed una

con fiori bianchi. Per operare, però, Mendel aveva bisogno di linee pure quindi faceva fare

inizialmente prima un tot di autoimpollinazioni ad entrambi i tipi di piante. Una volta isolate le linee

pure dei sette caratteri iniziò con la cros-impollinazione. Es. fiori viola e bianchi: da pianta a fiori

bianchi e una a fiori viola (generazione parentale, P) le piante che si avevano nella prima

generazione filiale (F1) erano tutte a fiori viola, quindi in F1 il bianco scompare (ripete più volte il

passaggio da P ad F1 ed ottiene sempre lo stesso risultato). Incrocia ora le piante dell’F1 tra loro,

ottenendo l’F2. Nell’F2 ricompare la pianta a fiori bianchi. In F2, però, la combinazione tra fiori viola

e bianchi non è casuale, ma è sempre data da una proporzione, i fiori viola sono in maggior

numero e si ha un rapporto 3:1, quindi si hanno 3 fiori viola per ogni fiore bianco. Da ciò Mendel

formò due leggi: -legge dell’uniformità della generazione (F1);-legge della segregazione dei

caratteri (F2). Oggi sappiamo perché ciò accade attraverso la conoscenza dei cromosomi e

l’assortimento della meiosi. Noi abbiamo due cromosomi omologhi (uno materno ed uno paterno)

su cui sono posizionati dei geni (che danno un’informazione per un determinato carattere). Ogni

cromosoma ha stesso gene, ma con conseguenze diverse, ma si possono avere delle forme

alternative di un determinato gene, detti alleli. Ogni gene ha sempre la stessa posizione sul

cromosoma e questa posizione è detta locus. Ciò ci spiega: questi due cromosomi omologhi nella

meiosi, se si parte da linee pure, avranno per ciascun gene la stessa forma su entrambi i

cromosomi, quindi gli alleli di uguali caratteri si dividono, nella meiosi, in entrami i figli. Con

l’incrocio si fondono i 2 gameti (1 linea pura con un 1 tratto ed un altro tratto) e l’F1 avrà un

individuo con 2 cromosomi con 2 alleni diversi (detto eterozigote). Ma a livello fenotipico perché si

nota un solo tratto? Perché un tratto riesce a “mascherare” l’altro. Il tratto mostrato in F1 è detto

carattere dominante, quello non mostrato è detto recessivo. In F1 ci sono eterozigoti con un

tratto dominante. In F2 riottengo l’altro tratto perché incrocio tra loro due eterozigoti e non più delle

linee pure. La simbologia è importante: l’allele dominante si indica con la lettera maiuscola; l’allele

recessivo con lettera minuscola. (NB la lettera usata è la prima della parola inglese che definisce il

carattere dominante, qui ad esempio P(urple)). Altra cosa importante è la terminologia:

gamete=cellula aploide; incrocio=unione di due gameti di due organismi diversi;

genotipo=composizione genetica; fenotipo=caratteristiche visibili; omozigote= individuo con due

alleli uguali per ogni gene(AA,bb); eterozigote=individuo con due alleli diversi per ogni gene (Aa,

Bb). In realtà sono pochi i caratteri che si comportano così e sono comandati da un solo gene

(come la pianta di piselli), in generale i caratteri umani sono multifattoriali (un carattere è

governato da più geni contemporaneamente insieme all’influenza dell’ambiente circostante).

Quindi possiamo dire che le leggi di Mendel valgono solo in alcuni casi specifici, negli altri casi si

usano le leggi di Mendel modificate. Se avessimo un incrocio monoibrido (organismi

aa

AA

monofattoriali) si parte da x ed il risultato sarà 2^2, quindi si avranno quattro individui con, a

livello di genotipo rapporto 1:2:1, dove due sono gli eterozigoti ed 1 i due omozigoti (1 con allele

recessivo ed uno dominante), mentre a livello di fenotipo sempre 3:1. Per definire e studiare,

invece, la trasmissione di carattere tra organismi multifattoriali si usa, ormai, il Quadrato di

BBSS bbSS

Punnett. Questo serve, ad esempio, in incroci diibridi, come ad esempio x , topo

nero pelo corto e topo marrone pelo lungo. In F1 si avranno individui con BbSs ed in F2 avremo

2^4 combinazioni possibili. In base a questo genotipo conosciamo il fenotipo (conoscendo la

simbologia). Si avrà, in questo caso, un rapporto 9:3:3:1 (a livello fenotipico) dove 9 è il carattere

dominante, i due 3 gli eterozigoti ed 1 il carattere recessivo. Per situazioni più complesse dei

diibridi come i trifidi etc il quadrato di Punnet diventa più complesso e quindi si utilizza la statistica.

Generalmente: se abbiamo n geni, il numero di gameti sarà 2^n, il numero di classi fenotipiche 2^n

e il numero di classi genotipiche 3^n (3 perché entra in gioco l’eterozigote). Il metodo degli

schemi ramificati: Questo metodo si usa per lo studio delle combinazioni tra individui con più di

due geni. Si può usare la statistica, e quindi la probabilità, perché studio due eventi tra loro

indipendenti. La probabilità è il rapporto tra il numero dei casi favorevoli e il numero totale dei casi

possibili. Il metodo degli schemi ramificati utilizza due regole principali: -regola del prodotto che

serve per misurare la probabilità di due eventi che si verificano contemporaneamente (es. ragazza

bella e ricca) e per misurare questa P si calcola il prodotto delle singole probabilità dei due eventi;-

regola della somma serve per misurare la P di due eventi mutualmente esclusivi (es. ragazza

bella o ricca) e per misurarla si calcola la somma delle singole probabilità. Altro metodo molto

diffuso è quello del test cross (o reincrocio). Questo metodo serve a capire se un individuo che

ha fenotipo dominante è omozigote o eterozigote. In questo metodo prendiamo l’individuo ignoto e

lo incrociamo con un omozigote recessivo. Guardo ciò che esce nella generazione filiale ed in

base a ciò capisco com’è, a livello genotipico, il genitore che è incognito. [Se il risultato mi da

individui tutti uguali il genitore è omozigote altrimenti è eterozigote]. A livello fenotipico l’allele di

questo genitore mi influisce molto sul risultato. Il fenotipo della progenie (figli) è uguale al genotipo

dei gameti prodotti dall’individuo analizzato. Il crossing-over (o ricombinazione) è un fenomeno

che può avvenire casualmente ma più frequentemente se i geni che sono implicati sono distanti tra

loro. Due geni vicini sullo stesso cromosoma sono detti associati (o concatenati) e per questi

geni non valgono le leggi di Mendel, che invece valgono per due geni che, anche se sono sullo

stesso cromosoma, sono lontani (detti geni indipendenti). I geni associati possono essere di due

tipi: -associati in cis (alleli dominanti sullo stesso cromosoma e recessivi sull’omologo);-associati in

trans (alleli dominanti ciascuno su uno dei due cromosomi omologhi). I caratteri associai sono

associati in maniera completa se non vi è c-o, parziale se avviene il c-o. Quando c’è un crossing-

over sono coinvolti sono i cromatidi dei due cromosomi che sono centrali (e quindi vicini tra loro).

C’è il 50% di possibilità di avere cromosomi ricombinati e dopo un c-o si passa da una situazione

cis a trans (o viceversa). Riusciamo a riconoscere se due geni sono associati o indipendenti

tramite il reincrocio: se sono indipendenti avrà tutte le combinazioni possibili dei gameti e varrà

Mendel, con rapporto 1:1:1:1; se sono associati in maniera parziale abbiamo quattro

combinazioni ma due combinazioni più frequenti (parentali) e due meno frequenti (ricombinati)

come per esempio 40-10-10-40. Più due geni sono distanti più c’è probabilità di avere cromaticdi

ricombinati. La frequenza di ricombinazione (Fr) è il rapporto tra n°di ricombinanti e n°di individui

analizzati e il risultato, in percentuale, è la probabilità di subire un c-o. La Fr serve come unità di

misura delle mappe genetiche, infatti corrisponde alla distanza dei geni e quindi serve a definire

la posizione di un gene su un cromosoma (u.m. centimorgan-> 1%=1cM). La Fr va da 0%(no c-o)

a 50%(geni indipendenti). Le mappe genetiche furono utilizzate in passato quando non esistevano

determinati processi diffusi al giorno d’oggi (le distanze sono stimate tramite somma o sottrazione,

anche se non è precisissimo). Tra due geni ci possono essere due crossing-over

contemporaneamente, ciò determina che alla fine della ricombinazione avremo un cromosoma

parentale ed uno ricombinante che sarà, però, completamente uguale all’iniziale, ovvero al

parentale. Quindi io non mi accorgo del c.o. (viene scambiato solo un pezzo di cromosoma

intermedio e posso accorgermene solo se studio geni vicini tra loro. Altri geni che sfuggo alle leggi

di Mende sono quelli posizionati sui cromosomi del sesso, diversi tra M e F. Le regioni terminali

sono comuni ad entrambi i cromosomi sessuali (i cromosomi X ed Y sono in realtà due cromosomi

omologhi che in meiosi devono dividersi, anche se strutturalmente diversi quindi devono appaiarsi

e si appaiano lungo le regioni terminali, dette regioni pseudoautosomiche). I geni sul cromosoma X

(X-linked) sono per la maggior perte legati al sesso ed hanno vari ruoli. E’ importante sapere chi

(madre o padre) trasmette una cosa perché dagli incroci si hanno risultati diversi. Se si considera

un alleale patologico, ad esempio, si può avere: -F: DD sana, Dd portatrice sana, dd malata;-M:

DY sano, dYmalato. Quindi possiamo dire che le malattie legate agli alleni X-linked sono più

frequenti nei maschi. Per avere, quindi, una femmina malata la mamma deve essere almeno

portatrice ed il padre malato. Vi è, però, un problema: M e F hanno due quantità diverse di geni sul

cromosoma X, le femmine ne hanno 2 ed i maschi 1. Si pensava che nelle femmine ci fosse,

quindi, il doppio prodotto genetico per il cromosoma X, ma si osservò che il prodotto genetico in F

e M è lo stesso. Si capì, quindi, che per compensare la quantità di prodotto genico si usa la

lyonizzazione, ovvero un meccanismo che silenzia una X nelle femmine facendo avvenire un’

inattivazione del cromosoma X.

Ipotesi di Mary Lyon:

1.Un cromosoma X non è attivo;2.L’inattivazione di un cromosoma X è casuale;3.L’inattivazione

avviene durante lo sviluppo;4.Il cromosoma X disattivato lo sarà per tutta la vita della cellula;5.Le

cellule figlie di questa cellula avranno lo stesso cromosoma inattivo.

C’è, però, una fase in cui l’inattivazione dell’X può essere resettata. Al microscopio quando si

guarda il cromosoma X disattivato si nota un ammasso nero (perché si modifica lo stato di

compattazione della cromatina) detto corpo di Barr (e il numero di corpi di Barr è dato dal numero

di cromosomi X presenti meno uno). Le femmine sono dette mosaici funzionali.

Inoltre M. Lyon affermava che la cellula selezione il cromosoma da disattivare (quindi la

disattivazione non è casuale) solo in due casi:1.Inattivazione preferenziale del cromosoma X con

anomalie strutturali;2.Inattivazione preferenziale del cromosoma X normale in individui con

traslocazioni, errore nella meiosi, vi è uno scambio (crossing-over) tra un cromosoma X ed un

autonoma e si ha un ibrido X/autosoma che resta attivo (perché altrimenti si inattiva una parte di

autosoma, cosa molto grave che porta alla morte dell’organismo). Se lo scambio è sul gene, quel

gene viene perso. Il cromosoma Y funziona per un particolare gene, detto SRY (fattore che

determina la formazione dei testicoli). Se questo gene si trova su un cromosoma X si ha un

maschio con XX ma son SRY, se non c’è SRY è femmina. Quindi è il gene SRY a determinare un

maschio perché lo zigote è portato a modificare la struttura per differenziarsi dalle femmine (o

maschi). Se c’è l’Y c’è anche SRY. L’SRY determina la funzione della proteina TDF che non fa

formare un ovaio, ma un testicolo. E’ nella fase iniziale di un embrione che si fa una

differenziazione tra M e F.

Interazione tra alleli:

-Dominanza completa (l’A nasconde la a, che resta visibile solo in aa);-dominanza incompleta;

-codominanza.

La dominanza incompleta si ha in situazione in cui abbiamo A ed a e l’eterozigote ha fenotipo

diverso ed intermedio tra l’omozigote recessivo e dominante (es. fiori bianchi+fiori rossi=fiori rosa

con 1:2:1). Ciò accade perché avviene un’azione di tipo additivo. La codominanza si ha quando

entrambi gli alleni si manifestano fenotipicamente. Ad esempio il gruppo sanguigno MN, che ha

due alleli possibili per un gene e nessuno dei due maschera l’altro. Un esempio di sistema di

allelismo multiplo è il gruppo sanguigno AB0, che presenta più di due alleli.

Altro gruppo sanguigno importante è l’RH che può essere di due tipi: RH+, in cui almeno una copia

di allele deve essere dominante (DD o dD) e quindi presenta antigeni RH ed RH- in cui si hanno

solo alleli recessivi (dd) e non ha antigeni RH.

Pleiotropia: Un esempio di trasporto dell’informazione genetica che non segue Mendel è la

pleiotropia, ovvero il fenomeno in cui una mutazione in un gene può avere effetto su molti organi

o sistemi dell’organismo (malattie derivate da effetto pleiotropico). Un esempio di queste malattie è

l’anemia falciforme, in cui si ha la formazione, a causa di una mutazione dell’emoglobina, di globuli

rossi a forma di falce. Questa forma porta a fragilità dei vasi, formazione di accumuli nei vasi

sanguigni e poco ossigeno. Si parla di pleiotropia perché a partire dalla Beta-globina (l’emoglobina

è formata da 2Beta e 2Alfa-globina) si hanno diversi fenomeni fisici, come debolezza fisica, deficit

mentale, flusso di sangue basso, insufficienza caridaca, dolori addominali etc.

Letalità: Altro esempio di estensione delle leggi di Mendel è la letalità, fenomeno in cui esistono

tra i vari alleni degli alleni detti letali (dovuti a mutazioni che portano alla morte dell’individuo)

dominanti (letalità anche a singola copia) o recessivi (letalità con due copie). Sono rare e infatti

difficilmente si hanno due accoppiati con stessa mutazione e quindi l’omozigote (dd). I geni letali

indicano che il prodotto genetico a cui sono legati è essenziale. Un esempio di letalità sono i

cosiddetti gatti di Manx (gatti che non hanno la coda che si trovano sull’isola di Manx). Il fatto che

questi gatti non hanno la coda è dovuto ad una mutazione del gene M, detto M(^L) perché alleale

letale. Gli individui con MM (gatti con coda, quelli senza coda sono MM(^L), gli individui con

M(^L)M(^L) non li troviamo perché muoiono prima di nascere (abortiti alla nascita). Il gene è legato

alla coda e quindi alla corretta formazione della colonna vertebrale, l’eterozigote non completa la

formazione della colonna vertebrale, ma manca un pezzo, ovvero la coda; l’omozigote per l’allele

letale, invece, non riesce proprio a cominciare la formazione della colonna e questa non è una

situazione vitale e quindi non può avere vita. Quindi in questa situazione non vale Mendel perché

una classe genotipi (omozigote per il carattere letale) non la avrò ed avrò, quindi 2/3 senza coda

ed 1/3 normale. Vale Mendel ma con frequenza diversa. L’interazione tra geni è l’ultimo esempio

di estensione di Mendel. Qui non si parla più di alleli, ma di geni. Alcuni geni modificano/alterano il

fenotipo di un altro gene. In questi casi abbiamo l’epistasi, in cui abbiamo due geni, uno detto

epistatico (maschera l’espressione dell’altro gene) ed uno ipostatico (mascherato). Un esempio

di ciò si ha con i labrador. Il colore del pelo del Labrador è dato da due geni, gene B e gene E. Il

gene B (da black) determina la posizione e quindi il colore (B nero e b marrone). Il gene E

determina, invece, la capacità di produrre il pigmento. In questo modo i cani neri avranno almeno

un allele dominante per B ed uno per E; i cani marroni avranno bb ed almeno un allele dominante

per la E (bbE-). I cani “biondi” avranno alleni recessivi per la E (ee) indipendentemente dalla B. Il

gene B quindi diventa ininfluente, quindi il gene E è l’epistatico e il gene B ipostatico. In questo

caso non vale Mendel perché con un diibrido dovremmo avere il rapporto 9:3:3:1, ma fuoriesce

9:3:4 che può cambiare in base alle situazioni (9331 cambia perché si ha la “somma” di più

fenotipi).

Genetica molecolare:

In passato non si conosceva il DNA, quando si è capito che c’era qualcosa che veniva trasmesso

tra le generazioni e che trasmetteva dei caratteri si voleva conoscere questa molecola che rendeva

possibile ciò. Questa molecola doveva avere le seguenti caratteristiche: -essere comune a tutte le

cellule;-essere stabile nella cellula;-essere facilmente trasmissibile alle cellule figlie;-essere grande

abbastanza per contenere l’informazione;-se introdotta in una cellula deve essere in grado di

modificarla. Inizialmente un gruppo di studiosi pensava che ciò fossero le proteine, che

presentavano più o meno le caratteristiche, ma poi fu accantonata questa teoria perché diverse

cellule hanno diverse proteine. Altri scienziati pensavano che fossero gli acidi nucleici. Sono stati

fatti una serie di esperimenti che hanno poi portato alla comprensione dell’importanza del DNA.

Esperimento di Griffith (1928): Griffith era un medico che studiava ed aveva il laboratorio in

casa. Egli riuscì ad isolare dai suoi pazienti due ceppi batterici che causano la polmonite. Uno dei

due ceppi era caratterizzato da un rivestimento esterno ed era detto S e provoca la morte

dell’individuo, quindi è il ceppo cosiddetto virulento. Il secondo ceppo è detto R e se iniettato non

causa la morte del topo ed è privo di rivestimento. Facendo delle prove in laboratorio notò che, se

scaldava i ceppi S, le cellule batteriche morivano e se venivano iniettate non causavano la morte.

Ma se queste cellule S morte venivano messe nello stesso ambiente delle R vive, il “mix”, se

iniettato, causa la morte del topo. Le cellule S morte hanno quindi passato l’informazione letale alle

R. L’ipotesi a cui si arrivò è quella della presenza di un principio trasformante, ovvero una

molecola che da cellule letali morte rende letali quelle vive.

Esperimento di Avery, Mc. Leod e Mc. Carty (1944): Questi tre scienziati hanno proseguito gli

studi di Griffith. Preso il ceppo S l’hanno scomposto in molecole, dividendolo nei vari componenti e

macromolecole, ed hanno visto quale era in principio trasformante. Inserendo l’RNA con cellule

non letali vedo che non si modificano, quindi non è il principio trasformante e fecero così per molte

macromolecole. L’unica frazione che dava trasformazione era il DNA e iniziarono a pensare che il

DNA è il fattore trasformante.

Esperimento di Hershey e Chase (1952): Questi due pensavano che quanto detto prima era

corretto solo per i batteri, quindi compirono degli esperimenti non con dei batteri, ma con dei virus.

Come i virus trasmettono l’informazione genetica? Partendo da alcuni virus (batteriofagi), li fecero

crescere in due soluzioni diverse, una con fosforo radioattivo (perché il fosforo è componente del

DNA) ed una con zolfo radioattivo (perché lo zolfo è componente degli amminoacidi). Avrò quindi

un DNA e una PROTEINA marcati radioattivamente. Infettati i batteri, i due scienziati li

centrifugarono (divisi sempre) e ciò che si aspettavano era di ottenere, nella boccetta, un

sedimento di cellule in basso e sospensione liquida in alto. Nel caso dello zolfo le proteine dei virus

non sono entrati nelle cellule, infatti si trova la radioattività solo nella sospensione liquida, quindi si

arrivò all’idea che le proteine non sono infettanti; nel caso del fosforo, invece si vide che si trovava

radioattività nella zona delle cellule (in basso) e quindi si cominciò a pensare al DNA come

principio infettante.

Il DNA è in grado di duplicarsi e può anche farlo al di fuori della cellula, e quindi in situazioni di

laboratorio. La cellula non è necessaria, ma sono invece necessarie le molecole del DNA e gli

enzimi in grado di copiarlo. La prima replicazione artificiale del DNA ha portato alla conoscenza di

come questo processo avviene realmente. In passato c’erano tre teorie di come avvenisse la

duplicazione: 1.Duplicazione conservativa (partendo da DNA parentale ottengo due molecole di

DNA, una dell’origine ed una nuova);2.Duplicazione semiconservativa (partendo da DNA

parentale si hanno due molecole di DNA in cui ci sono due filamenti diversi (uno originario ed uno

nuovo) dovuto alla divisione del DNA parentale);3.Duplicazione dispersiva (tanti pezzi nuovi e

originari messi a caso).

Il modello corretto è il secondo, ovvero quello della duplicazione semiconservativa. Ciò si capì

grazie ad un esperimento.Esperimento di Meselson e Stahl (1958): Usarono dei batteri e la

marcatura radioattiva. Presi dei batteri, li hanno fatti crescere in presenza di Azoto 15 (o pesante)

e successivamente Azoto 14 (o leggero). Il primo campionamento (ovvero studio dei risultati della

centrifugazione) fu fatto a 0 minuti, quindi di batteri cresciuti in Azoto 15 e si notò che nella provetta

il DNA si trovava in basso (causa del peso). Presi un po di batteri da Azoto 15, posizionandoli in

terreno più azoto 14 si fece un campionamento a 20 minuti (tempo di una replicazione di DNA) e si

vide che il DNA si posizionava un po più in alto. Facendo il campionamento dopo 40 minuti si

ottennero due bande di DNA, una uguale al campionamento a 20 minuti ed una ancora più in alto.

Ciò portò a capire che la replicazione è un processo semiconservativo, perché se non lo fosse già

al secondo campionamento (quello a 20 minuti) dovrei avere due bande.

Replicazione del DNA:

-nei procarioti è più semplice, ha origine in un punto, detto origine di replicazione. Quid i due

filamenti iniziano a separarsi grazie ad un enzima e quando i due filamenti si staccano si forma la

cosiddetta bolla di replicazione. Su ogni filamento parentale si forma un nuovo filamento ed il

risultato sono due molecole figlie e si ha quindi una replicazione bidirezionale;

-negli eucarioti è invece più complessa, in quanto avviene contemporaneamente su tutti i

cromosomi. Non vi è solo un origine di dulplicazione, ma ce ne sono moltissimi, più di uno anche

su un solo cromosoma. Dall’origine parte la replicazione, si forma la bolla di replicazione e non

appena i due filamenti parentali si dividono se ne crea uno nuovo, la cosiddetta copia, che

prosegue e si espande fino ad incontrare il filamento della bolla successiva. Quando i due filamenti

di due diverse bolle si incontrano si legano (ciò accade in entrambe le direzioni).

I due filamenti si separano a causa dell’elicasi, un enzima. Quando quest’enzima si aggancia al

DNA inizia a separare i filamenti e per tendenza naturale i due filamenti, però, tenderebbero a

riunirsi tra loro. Ciò non può e non deve accadere e per essere tenuti separati i due filamenti

intervengono delle proteine che legano il DNA a singolo filamento, ovvero lo “occupano” e non lo

fanno legare quindi all’altro filamento. In questo momento inizia la vera e propria duplicazione. Un

altro enzima indispensabile durante la replicazione del DNA è la topoisomerasi, importante

perché non fa creare i superavvolgimenti, che si creano quando noi apriamo un’elica di DNA in

un punto. Quest’enzima non fa avvenire i superavvolgimenti perché crea degli avvolgimenti

contrari a quello indotto dall’apertura dei due filamenti. L’enzima che copia il DNA è il DNA

polimerasi, un enzima che ha però molti difetti: -funziona solo in una direzione (5’-3’);-per poter

funzionare ha bisogno di inneschi;

-non è fedele, fa errori continuamente. Quando la DNA polimerasi inizia il suo lavoro il DNA deve

essere già aperto e deve esserci la topoisomerasi. Gli inneschi avvengono grazie all’enzima

primasi, che copia una prima parte di filamento (5’-3’) formando i cosiddetti primer, pezzi di RNA

(copia, quindi, il DNA in frammenti di 10 nucleotidi di RNA). Dopo l’innesco la DNA polimerasi si

aggancia ai primer e unisce i nucleotidi secondo la regola della complementarietà. Nell’altro

filamento l’azione è inizialmente bloccata perché la direzione è l’opposta (3’-5’), come si comporta

la DNA polimerasi? La DNA polimerasi in questo caso fa avvenire la replicazione frammentando

il filamento di copia. Si ha così la formazione dei cosiddetti frammenti di Okazaki che hanno una

parte iniziale formata da innesco. Questa parte formata da inneschi sarà poi eliminata e sostituita

da pezzi di DNA. I frammenti si legano attraverso l’enzima DNA ligasi. Il filamento in direzione 3’-

5’ che presenta i frammenti di Okazaki dato che per essere copiato bisogna attuare tutti questi

passaggi e quindi impiega più tempo si chiama anche filamento ritardato.

Il problema dei telomeri:

Il problema dei telomeri è causato dalla necessità di avere degli inneschi di RNA. Gli inneschi di

RNA ad un certo punto devono essere eliminati e la DNA polimerasi deve “riempire” i buchi

restanti. Alle estremità, però, ovvero ai telomeri la DNA polimerasi non riesce a riempire questi

buchi. Il filamento nuovo ha direzione opposta al filamento parentale. La DNA polimerasi parte al

5’, utilizzando un innesco di RNA che una volta eliminato per essere riempito serve la DNA

polimerasi, che anch’essa per partire ha bisogno di un innesco. All’estremità quindi la DNA

polimerasi senza innesco non riesce a riformare i pezzi persi in precedenza.

Quindi dopo la rimozione dei primer a RNA dalle estremità dei cromosomi (telomeri) non vi è alcun

gruppo 3’ OH disponibile come punto di inizio per la sintesi di DNA per riempire l’interruzione e

pertanto rimangono delle interruzioni alle estremità dei cromosomi, che non possono essere

riempite. Quindi a fine replicazione i due filamenti (i due cromosomi) vengono accorciati, in quando

la parte dei primer viene persa. Per risolvere il problema di perdita di informazioni i telomeri sono

fatti da sequenze di DNA ripetute n volte, questo perché se perdiamo un pezzo non perdiamo in

realtà informazione, ma una parte che sarà ripetuta da qualche altra parte (non presentano geni).

Esiste un enzima, il telomerasi, capace di ricostruire telomeri. Quest’enzima è presente nelle

cellule staminali, nelle cellule gametiche (capaci quindi di essere riprodotte) ma non in quelle

somatiche. Quindi le nostre cellule somatiche perdono man mano sempre telomeri. L’importante è

che il telomero non sia accorciato troppo, perché questo porta problematiche, soprattutto a livello

di organizzazione.

Le cellule somatiche che presentano telomerasi sono le cellule tumorali, cellule che sfuggono al

controllo del ciclo cellulare, vanno incontro a divisione continua anche se non dovrebbero. Avere la

telomerasi attiva consente di permettere la divisione cellulare e non vi è regolazione e quindi

controllo della lunghezza dei telomeri, quando questi sono troppo corti la cellula è portata

all’apoctosi. La telomerasi è utilizzata come una sorta di “orologio biologico”, più il telomero è corto

più ha subito duplicazioni, a questo punto la cellula entra in apoctosi. Quindi l’invecchiamento

cellulare naturale sfrutta l’informazione di lunghezza dei telomeri. La telomerasi funziona in un

determinato modo. E’ un enzima fatto da proteine e DNA e pezzettini di RNA. L’RNA che

costituisce la telomerasi è un po più lungo della sequenza presente sul filamento di DNA ed è

complementare alle sequenze ripetute del telomero. Quando quest’enzima è presente nella cellula

e trova su uno dei due filamenti pezzi di telomeri scoperti perché accorciati (un filamento alla volta

viene accorciato, quello con il 5’), si aggancia tramite delle precise proteine presenti su

quest’enzima e così si ricrea la parte persa. Si creano, quindi, quegli innesti che non potevamo

avere con la DNA polimerasi che servirà poi per continuare il processo della DNA polimerasi.

La telomerasi è presenta nelle cellule tumorali per errore e l’altro aspetto presente nei tumori è

che a causa della bassa fedeltà della DNA polimerasi si possono avere diverse mutazioni (molte

per i tumori). Alcune di queste anomalie sono dovute all’agire della DNA polimerasi, la quale ogni

tanto durante il suo percorso può compiere errori (ad esempio uno scambio di base, che avviene 1

su 10^7 basi). Ci sono alcune varianti che non sono letali ed altre che portano, però, alla malattia.

Il DNA è l’acido nucleico che noi dobbiamo avere dall’inizio alla fine della nostra vita, deve essere

stabile e deve subire il minor numero di cambiamenti possibili. Il DNA ha quindi cercato di riparare

gli errori dovuti al DNA polimerasi, attuando la cosiddetta riparazione del DNA che sono:

-correzione di bozze, fatta direttamente dalla DNA polimerasi, che sbagliando se ne accorge e

tornando indietro ricompie l’azione sul pezzo sbagliato (mentre scrive corregge anche se stessa),

la polimerasi ha quindi una capacità di autocorrezione ;

-riparazione dei disappaiamenti, dove vi è un sistema intrinseco alla cellula che valuta se lungo

tutta la molecola di DNA ci siano errori di disappaiamento;

-riparazione per escissione, basi anomale formatesi in conseguenza di danni chimici che

vengono sostituite poi con basi corrette (elimina fisicamente un pezzo molto più grande rispetto a

quello eliminato dal metodo precedente).

Gli ultimi due metodi agiscono, a differenza della prima che agisce durante la replicazione, a

replicazione terminata. Lo scopo di tutti e tre i metodi è, comunque, quello di abbassare il numero

di mutazioni presenti all’interno del DNA. Grazie a ciò gli errori passano ad essere 1 su 10^9 basi

(riduzione di 100 volte del numero di mutazioni presenti sul DNA). La correzione di bozze avviene

perché il DNA polimerasi può catalizzare due reazioni contemporaneamente: attività polimerasica

(da 5’ a 3’, aggiunge nucleotidi) e esopolimerasica (da 3’ a 5’ eliminando nucleotidi).

I principali danni provocati dall’esterno alla molecola di DNA sono vari, tra i quali la mutazione

che crea dei legami (che non dovrebbero esserci) tra delle timine presenti sullo stesso filamento

(dimeri di timina), questi dimeri se vengono stabilizzati sul DNA si trasformano in altro che provoca

conseguenze forti.

Le malattie dell’uomo causate da difetti nella riparazione del DNA sono dovute al fatto che un

individuo non è in grado di mettere in atto i metodi di riparazione per vari motivi (danni e mutazioni

al DNA ad esempio), ed il risultato è che il numero di mutazioni sul DNA di questo individuo è molto

alto rispetto ai valori standard. Tra queste malattie abbiamo: Xeroderma-pigmentosum, che porta

ad un elevato rischio di sviluppo di cancro alla pelle, occhi e lingua in seguito ad esposizione a

luce solare; sindrome di Cockayne, individui che non possono essere esposti al sole (correlata al

ritardo mentale, ad un invecchiamento precoce etc.).

Una volta che il DNA è replicato abbiamo la divisione cellulare.

Durante la vita di una cellula il DNA viene replicato solamente prima di una divisione cellulare, lo

troviamo però nel nucleo ed è importante che viene copiato per formare molecole di RNA che

producono a sua volta proteine che fanno funzionare l’organismo.

La trascrizione è il processo in cui un pezzo di DNA viene copiato per produrre RNA

messaggero. Successivamente avviene la traduzione, in cui l’RNA messagero viene tradotto e

forma le proteine vere e proprie.

Trascrizione:

E’ un processo importante per gli eucarioti perché, essendo avvolta da un involucro nucleare

l’informazione deve riuscire a migrare verso il citoplasma. Con la trascrizione si forma una

molecola più piccola del DNA capace di essere trasportata dal nucleo al citoplasma. Per fare ciò si

utilizza l’mRNA, una molecola di acido nucleico molto piccola, che può essere generata copiando

l’informazione presente sul DNA attraverso complementarietà.

Il processo di trascrizione è molto simile alla replicazione. Anche qui si ha la necessita di avere

una scissione tra i filamenti (licasi), ma è molto più semplice perché non viene copiata tutta

l’informazione, ma solo un pezzo. La copia non è fatta da DNA polimerasi, ma da RNA polimerasi.

Questo enzima ha meno difetti rispetto a quello del DNA, è un enzima che funziona in direzione 5’

3’, ma non ha bisogno di inneschi, può iniziare a sintetizzare RNA in qualsiasi momento, e ciò evita

il problema di rimuovere gli inneschi e riempire “i buchi”. Anche l’RNA polimerasi non è molto

fedele infatti non esistono sistemi di riparazione, quindi se si ha uno sbaglio sull’RNA questo non

può essere modificato. Nell’RNA non ci sono metodi di riparazione perché l’mRNA è moltissimo,

diverso per ogni gene e quindi gli mRNA per dei geni non tutti avranno la stessa mutazione, quelli

non mutati quindi ci permetteranno di avere una proteina normale, non mutata. Il danno che quindi

si provoca con una mutazione all’RNA è molto limitato rispetto a danni del DNA.

Un gene è un tratto di DNA che ha lo scopo di produrre qualcosa, porta informazioni per qualche

caratteristica che porta a produzione di un qualcosa. La sua struttura cambia da procarioti ed

eucarioti. Il gene presenta una zona, detta promotore, sequenza regolatrice del gene (tratto di

DNA che regola la trascrizione, permette di capire dove comincia il gene e dove deve cominciare la

trascrizione di quel gene). Una volta riconosciuto il promotore, questo indica dove iniziare la

trascrizione ed a livello di quel punto le due catene di DNA si separano (vengono denaturate) e

solo uno di quei due filamenti viene copiato, solo un filamento è il filamento stampo (decisione del

promotore). A questo punto si comincia a copiare la parte di quel filamento, fino a che non si arriva

alla sequenza terminatore del gene, che indica dove finisce il gene e dove deve, quindi,

terminare la trascrizione.

La trascrizione avviene grazie all’RNA polimerasi, è divisa in tre fasi:

L’RNA polimerasi scorre sul DNA fino a che non arriva su un promotore, trovato il promotore si lega

con questo e capisce dove cominciare la trascrizione e in che direzione. La differenza rispetto alla

replicazione è che qui, avendo la copia di un solo filamento, non abbiamo il problema della

direzione opposta di uno dei due filamenti. Arrivato poi alla sequenza terminatore l’RNA polimerasi

si ferma e la trascrizione finisce.

Importante è il fatto che possono agire più enzimi contemporaneamente, quindi più RNA polimerasi

continuamente e contemporaneamente. Ciò consente di copiare quel determinato tratto di DNA

molte volte e creare quindi tanti mRNA (diversi o uguali). Nel caso della trascrizione si distinguono i

due filamenti del DNA da cui si parte: filamento senso (non copiato, 5’-3’) e filamento non senso

(copiato perché ha esattamente la complementarità delle basi con l’RNA polimerasi, 3’-5’). La

sequenza dell’mRNA sintetizzato è identica a quella del filamento non copiato, perché sono

ciascuno il complementare di uno stesso filamento. Quindi l’informazione che si ha nel mRNA è la

stessa di quello non copiato, per questo si definisce “filamento senso” perché porta il senso che

troverò poi nella mia parte di RNA.

E’ il promotore che decide il filamento da copiare e lo indica in base a dove è posizionato il

promotore e quindi definisce la direzione della trascrizione.

A seconda del gene considerato non è sempre lo stesso filamento dello stesso cromosoma che

viene copiato e trascritto. Ogni gene si comporta in un modo, può essere trascritto un filamento o

un altro e ciò è determinato da il proprio promotore. Non tutti i geni sono trascritti

contemporaneamente, ci sono geni che hanno un proprio momento di trascrizione. Con l’RNA

polimerasi l’errore passa ad 1 su 10^4 basi.

Struttura del gene eucariotico: I geni eucariotici codificanti proteine hanno delle sequenze

nucleotidiche che vengono trascritte, ma non tradotte in sequenze ammiacidiche, dette introni. Le

sequenze che vengono, invece, espresse, sono gli esoni. La regione codificante (a differenza dei

batteri) non è una regione continua, ma presenta appunto dei pezzi di DNA che non portano

informazione, gli introni. Quando avviene la trascrizione nei procarioti avrò, quindi, una regione

codificante continua, unica zona che viene letta. Nei geni eucarioti, invece, tutta la struttura viene

letta, attraverso dei processi, detti maturazione degli mRNA. La maturazione consiste in una

serie di cambiamenti chimici sulla struttura dell’RNA. Questi processi prevedono tre eventi:

-aggiunta di un cappuccio al 5’, aggiunta al 5’ di qualcosa, -rimozione degli introni,

-poliadenilazione al 3’, aggiunta di adenine al 3’. Quindi prima di arrivare ad RNA maturo devono

esserci queste tre fasi. Proprio per questo prima della maturazione ciò che abbiamo è un pre-RNA

e diventa vero e proprio RNA solo dopo la maturazione.

L’ aggiunta del cappuccio al 5’ è l’aggiunta di una metil-guanosina, un gruppo chimico che viene

aggiunto all’inizio dell’mRNA, che ha due funzioni: consentire all’mRNA di essere poi trasportato

dal nucleo al citoplasma ed essere riconosciuto dai ribosomi che si legano all’mRNA a livello del

cappuccio 5’; dare una maggiore stabilità all’RNA messaggero, l’RNA è una struttura fragile e

quindi il pericolo è che una volta sintetizzato possa essere degradato, quindi grazie a questo

cappuccio presente al 5’ fa sì che la molecola sia meno degradabile all’interno del nucleo.

La rimozione degli introni (o splicing), è un processo finemente regolato che coinvolge

moltissime proteine e complessi proteici con lo scopo di tagliare gli introni alle due estremità esatte

e questi introni vengono ripiegati ed eliminati, dopo l’eliminazione gli esoni vengono riuniti tra loro.

E’ importante la precisione, perché se lasciamo un’introne o se tagliamo un pezzo di esone si avrà

una lettura sbagliata. Alla fine di ogni introne si avranno due sequenze segnali che verranno

riconosciute da determinate proteine. Il complesso chiamato spliceosoma, è il complesso che

comprende tante proteine ed RNA, in cui avviene lo splicing. I complessi proteici presenti in questo

complesso sono gli snRNP (leggere-snurps, piccole particele nucleari ribonucleoproteiche) che

riconoscono i siti di splicing. Formano dei legami tra di loro e sono loro a tagliare i pezzi di introni e

ricucire i pezzi di esoni. Quindi questo tipo di RNA si comporta da enzima anche non essendo una

proteina.

La poliadenilazione al 3’ è semplicemente l’aggiunta di una coda di adenine. Ciò costa energia

alla cellula ed ha lo scopo di: dare stabilità e funzionare da punto di aggancio dell’mRNA maturo

che serve per far migrare l’RNA nel citoplasma (consentire l’export).

Dopo l’avvenimeto corretto di questi tre processi l’RNA può fuoriuscire dal nucleo. Se non sono

avvenuti correttamente l’RNA è fermo nel nucleo e o può fuoriuscire successivamente (se matura

dopo un po) oppure non riuscirà ad uscire (problema di base).

Partendo dallo stesso gene questo può essere maturato in diversi modi. Questo è legato o allo

splicing alternativo (processamento differenziale dell’RNA nucleare) oppure ad una

poliadenilazione alternativa.

Controllo dell’espressione genica:


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecniche psicologiche
SSD:
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher abagnalebenny di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia e genetica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano Bicocca - Unimib o del prof Combi Romina.

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