Biologia animale e vegetale

Biologia: Differenze tra procarioti ed eucarioti

National Library of Medicine

Procarioti

• Dimensioni: 1-2 μm
• Non c’è un nucleo entro cui è racchiuso il materiale genetico
• Spesso rivestiti da un involucro protettivo intorno alla membrana plasmatica
• Al microscopio elettronico l’interno di queste cellule è visto come una matrice granulare priva di organizzazione interna evidente
• Si riproducono rapidamente dividendosi in due: 20 min per duplicarsi
• Superano di gran lunga gli organismi eucariotici in termini di numero
• Esempi: mitocondri derivano da batteri aerobi che si stabilirono all’interno delle cellule anaerobie del nostro organismo; cloroplasti derivano da batteri fotosintetici stabilitisi nel citoplasma di una cellula vegetale
• Si distinguono in due grandi domini: batteri e archeobatteri

Eucarioti

• Dimensioni: 10-20 μm
• Il termine deriva dal greco "nuove cellule dotate di nucleo": il materiale genetico è racchiuso nel nucleo e distinto dal resto
• Presentano organelli cellulari con funzioni distinte che possono anche avvenire in contemporanea
• Quasi tutte presentano i mitocondri, che al microscopio appaiono come strutture vermiformi con una doppia membrana
• Generano energia chimica nel processo di respirazione cellulare ossidando le molecole derivate da zuccheri e grassi e utilizzando l'energia estratta per produrre ATP
• Contengono un proprio DNA e si riproducono dividendosi in due (come i cloroplasti nella cellula vegetale)
• Le cellule eucariotiche sono cellule animali e vegetali; le cellule vegetali raggiungono anche i 100-200 μm e, oltre alla membrana cellulare, presentano una parete cellulare e un grosso vacuolo centrale con organelli deputati al processo fotosintetico
• Sono le prime a essere state studiate (cellula deriva da "celletta", studio del sughero)

Organelli presenti nelle cellule eucariotiche

• Reticolo endoplasmatico (RE): è la sede di produzione di quasi tutti i componenti delle membrane cellulari e anche di quelli destinati a essere esportati fuori; ha dimensioni molto maggiori nelle cellule deputate alla secrezione di proteine.
• Apparato di Golgi: sacche appiattite circondate da membrana che modificano e impacchettano le molecole prodotte nel RE.
• Lisosomi: piccoli organelli di forma irregolare in cui avviene la digestione intracellulare, grazie al quale si rilasciano sostanze nutritive derivate dalle particelle ingerite e si demoliscono le molecole indesiderate.
• Perossisomi: vescicole racchiude in una membrana che crea un ambiente adatto per una serie di reazioni che servono a inattivare molecole tossiche.
• Vescicole di trasporto: trasferiscono materiali da un organello membranoso a un altro.

Citoplasma: organelli + liquido contenuto nella cellula composto da acqua e sostanze organiche e inorganiche, comprende tutto il contenuto della cellula (compresi gli organelli) al di fuori del nucleo.

Citosol: liquido contenuto nella cellula composto da acqua e sostanze organiche e inorganiche, è una miscela concentrata di molecole grandi e piccole che svolgono molti processi biochimici essenziali.

Citosol = citoplasma - organelli

• Nel citosol sono presenti lunghi filamenti sottili che si intersecano e che spesso hanno un’estremità ancorata alla membrana plasmatica o si dipartono a raggiera da un punto centrale prossimo al nucleo: questo sistema di filamenti proteici è detto citoscheletro, composto da 3 tipi principali di filamenti:
  • Filamenti di actina: i più sottili, presenti in tutte le cellule eucariotiche
  • Filamenti intermedi: spessore intermedio, conferiscono resistenza meccanica alla cellula
  • Microtubuli: i più spessi, chiamati così per la loro struttura a tubicino cavo. Esso presiede alla forma, ai movimenti cellulari e al trasporto di organelli e molecole complesse da un punto all’altro del citoplasma

Nel nostro organismo ci sono 200 tipi di cellule diverse che svolgono funzioni distinte e hanno un diverso fenotipo.

(Area cellulare) / volume: rapporto vantaggioso per cellule piccole o cellule con forme poligonali. Es: cellula di 1 μm rapporto 6:1 | cellula di 3 μm rapporto 2:1

È importante sapere la conformazione che una molecola assume nello spazio, oltre che da cosa è formata in sequenza. Folding: ripiegamento che assume la molecola.

Organulo Funzione Procarioti Eucarioti

Composizione delle cellule

&Di cosa è fatta una cellula?

• 30% composti chimici (4% ioni e piccole molecole, 2% fosfolipidi, 1% DNA, 6% RNA, 15% proteine, 2% polisaccaridi)
• 70% acqua

Macromolecola: è un polimero direzionale costituito da monomeri che vengono aggiunti uno alla volta: i vari elementi sono tenuti insieme da legami forti (covalenti). Ha un peso molecolare maggiore di 1000 dalton e può contenere diversi gruppi funzionali.

• Glucidi (mono-, di-, glico-, poli- saccaridi)
• Lipidi (trigliceridi, fosfolipidi, steroidi, cere)
• Proteine
• Acidi nucleici (DNA, RNA)

Monosaccaridi

• Aldosi: gliceraldeide, ribosio, glucosio
• Chetosi: diidrossiacetone, ribulosio, fruttosio

Gli zuccheri si legano mediante gruppo glicosidico. Glucosammina: gruppo amminico legato a un esoso.

In ambiente acquoso, il gruppo COOH diventa COO e rende acida la molecola.

Acidi grassi:

• Saturi: forma lineare, formati da legami singoli, allo stato solido
• Insaturi: forma ripiegata, doppi o più legami, allo stato liquido perché la presenza di doppi legami fa sì che le molecole non aderiscano bene l'una all'altra

Glicerolo: molecola che fa da intelaiatura per gli acidi grassi; è anche alla base dei fosfolipidi.

Per opporsi all’ambiente acquoso:

• Lipidi: code rivolte dalla parte opposta rispetto all’acqua, oppure formano micelle
• Trigliceridi: formano sfere/goccioline di grasso
• Fosfolipidi: formano un doppio strato membranoso con le teste rivolte verso l’ambiente acquoso e le code all’interno

Nucleoside

Base + zucchero (quelli del DNA: trifosfato)

• A → adenosina
• G → guanosina
• C → citidina
• U → uridina
• T → timidina

AMP: forma lineare o ciclica (adenosin-mono-fosfato) importante nella segnalazione cellulare.

Proteine

• Fatte da amminoacidi; C, H, NH (gruppo amminico) e COOH (gruppo carbossilico).
• 20 amminoacidi essenziali raggruppati in categorie diverse in base a ciò da cui sono formati.
• Isomeri degli amminoacidi: L (solo L per le proteine) e D.
• La nomenclatura è data dalle prime due lettere del nome; c’è una che usa le lettere maiuscole che a volte coincidono con le prime lettere del nome dell’amminoacido, a volte no.
• Le famiglie di amminoacidi possono combinarsi insieme per formare proteine di lunghezze diverse.
• Legame peptidico: tra gruppo carbossilico e gruppo amminico.
• Peptidi: 10/15/20 amminoacidi (brevi sequenze)
• Cisteina (amminoacido particolare): la catena laterale ha il gruppo –SH (gruppo sulfidrile); le cisteine possono combinare questi gruppi per formare ponti disolfuro S-S, importanti nel folding della proteina.
• Serina, Treonina e Treosina: le catene laterali di questi amminoacidi sono prive di carica, terminano con il gruppo H e possono accettare dei fosfati (fosforilazione: riguarda questi amminoacidi)

Le proteine presentano 4 strutture:

• Primaria: semplice sequenza di amminoacidi
• Secondaria: rivolgimento della semplice sequenza nello spazio ad α-elica o a β-foglietto ripiegato
• Terziaria: ripiegamento delle catene di amminoacidi + esposizione sulla superficie di gruppi funzionali per poter interagire con altre molecole
• Quaternaria: insieme di diverse catene polipeptidiche che formano una proteina funzionale

DNA – Percorso storico

Scoperto alla fine dell'800: viene scoperto un composto ricco di fosfato, localizzato nel nucleo delle cellule e definito nucleina. Per anni si è cercato di capire quale fosse la molecola che portava le informazioni per fare un organismo.

Anni 50 dell'800: si capisce che è il DNA e non le proteine a fornire le informazioni. Esperimento che ha cambiato la storia del DNA: esperimento di Avery-Griffith; hanno dimostrato che il DNA è la molecola che porta le informazioni genetiche; prima della scoperta del DNA si parlava di principio trasformante (qualcosa che trasforma qualcos’altro). Nel 1944 studiando uno pneumococco che faceva venire la polmonite si sono resi conto che questo generava colonie lisce e colonie rugose: ciò dipendeva dal sistema immunitario che avevano i batteri. Hanno iniettato nei topi le due colonie: colonia S (liscia) → il topo moriva, colonia R (rugosa) → il topo non moriva. I ricercatori hanno prelevato il surfactante delle colonie S e lo hanno mescolato con le colonie R: si è visto che i due principi si influenzavano → da qui deriva la definizione di principio trasformante. Isolando questi batteri dal topo infetto e iniettandoli in un altro topo, quest’ultimo veniva infettato. Suffisso –asi: per enzimi che vanno a distruggere una molecola; gli enzimi prendono infatti il nome dall'attività che svolgono.

Per 6 anni l’esperimento sui topi non venne considerato. Harshlay e Chase hanno però rafforzato l’esperimento di Avery scoprendo un meccanismo di infezione virale, rafforzando l’idea che è il DNA il portatore di informazioni genetiche. Scoperta di Chargaff: ha scoperto che qualunque sia il DNA di qualunque specie i rapporti tra A-T e C-G sono uguali → se A=30% allora T=30% (uguale per C e G). (A+T)/(C+G)= rapporto che resta uguale per tutte le specie.

1953: Watson e Crick hanno costruito il modello a doppia elica del DNA.

Organizzazione del genoma

Con genoma si intende l’insieme completo di geni di un organismo: la sequenza completa del suo DNA (mettere insieme tutti i nucleotidi). Tutte le cellule del nostro organismo hanno lo stesso genoma: quello che varia in ogni cellula è quanti e quali geni sono espressi in quella cellula. Ci sono geni che vengono espressi e altri che vengono spenti: ciò avviene durante il percorso differenziativo. I globuli bianche, per esempio, esprimono determinati geni in relazione alla situazione batterica che devono affrontare. Ciò che differenzia le cellule è la quantità di geni espressi e la qualità di questi nelle varie situazioni.

L’insieme di geni espressi è detto trascrittoma. I geni sono le istruzioni per mettere insieme amminoacidi per fare proteine. L’insieme completo di proteine che una cellula esprime è detto proteoma, che non sempre corrisponde al trascrittoma. Lo scopo della proteomica è riuscire a gestire la quantità di informazioni geniche e capirle.

Il DNA è spezzettato in cromosomi caratteristici di ogni specie: nel corpo ci sono 46 molecole di DNA e dunque 46 cromosomi. I cromosomi esistono sempre nella cellula anche prima della duplicazione del DNA: 10% dei cromosomi contiene 40 geni, 1% dei cromosomi contiene 4 geni. Il genoma umano contiene complessivamente 30 mila geni (il doppio di un moscerino e sei volte E. coli).

Paradosso C

Il paradosso del valore C riguarda la quantità di DNA contenuta nelle cellule delle varie specie. Se è vero che negli anni è aumentata la quantità di DNA nelle specie (passando da procarioti a eucarioti), negli eucarioti quelli che hanno più DNA sono le specie vegetali. La quantità di DNA contenuta del genoma è caratteristica per ogni specie ed è detta "fattore C". La dimensione minima cresce al crescere dell’organismo, ma non c’è un andamento lineare. Le sequenze genomiche possono essere sequenze di DNA uniche o ripetitive: quelle moderatamente ripetitive sono quelle presenti dalle 10 alle 100 volte, quelle altamente ripetitive sono presenti più di 1000 volte. Il DNA ripetitivo varia in ogni organismo. Quasi tutto il genoma serve per fare proteine. Gli anfibi hanno un sacco di DNA perché hanno DNA ripetitivo; in realtà la sequenza che dà informazioni è più piccola. Le sequenze ripetute rappresentano circa il 50% del genoma. Ci sono geni che codificano solo alcune proteine: nei geni ci sono infatti sequenze utili e sequenze che vengono eliminate. Il DNA altamente ripetitivo ha sequenze che non servono per fare delle proteine; queste sequenze non codificati (99%) sono state definite DNA spazzatura (junk DNA).

Genoma → alcune informazioni vengono espresse/trascritte (trascrittoma) → alcuni dei geni espressi a livello dell’RNA diventano proteine (proteoma).

• Cellule eucariote → genomi a DNA
• Virus che usano trascrittasi inversa → genomi a RNA
• Dogma della biologia: DNA → RNA → proteine | si possono riconvertire alcuni geni da RNA a DNA.

Nelle nostre cellule ci sono circa 3 miliardi di nucleotidi raggruppati in molecole lineari: i cromosomi. Le cellule sessuali (o gameti) sono aploidi: hanno una sola coppia per cromosoma. I cromosomi esistono già quando il DNA è una matassa di cromatina: durante la meiosi si distinguono meglio. Nelle nostre cellule c’è anche il DNA mitocondriale: è un DNA circolare (uguale a quello dei procarioti) che ha le informazioni per la sintesi proteica e per fare 13 proteine che servono al mitocondrio; tutte le altre proteine sono contenute nel genoma nucleare (circa 16 mila nucleotidi presenti in copie). È anche in grado di fare tRNA e mRNA.

Nel genoma ci sono tutte le informazioni che servono per far funzionare un organismo: partiamo tutti dalle stesse informazioni. Ci sono dei geni che sono espressi e codificano per proteine base per la cellula, poi ci sono altre proteine deputate a funzioni specifiche (come le immunoglobuline o i mediatori di stimoli nervosi). Il genoma contiene dei geni, degli pseudogeni, delle sequenze ripetute e dei microsatelliti. Solo i geni servono per le proteine; il resto sono informazioni poco note: prima veniva definito DNA spazzatura.

Gene

Un gene è un segmento di genoma (un tratto di DNA) che contiene le informazioni per fare una proteina. Più correttamente è un’unità di informazione costituita da una sequenza di DNA che viene trascritta in RNA: gene → trascrizione/traduzione → proteina.

L’espressione di geni coinvolge come intermediario l’RNA messaggero che diventa una copia del gene, tradotta poi in proteina nei ribosomi. Alcuni geni specificano per RNA non codificanti (la seconda definizione di gene comprende anche le sequenze non codificanti).

La dimensione del genoma non è per forza correlata al numero di geni che contiene: ci sono dei genomi grandi che non per forza seguono il processo evolutivo; per esempio, ci sono dei vegetali che hanno un genoma più grande del nostro, questo perché ci sono sequenze ripetute e non tutte codificano per le proteine. Esempi di dimensione del genoma non correlata al numero di geni:

• Il lievito ha 12 megabasi e 5800 geni
• L’uomo ha 3200 megabasi e 25000 geni

Se la dimensione e il numero fossero correlati il lievito avrebbe solo 100 geni: non è così e ciò si spiega per il fatto che il lievito ha più sequenze ripetute del genoma umano (si ricollega al paradosso C).

Gene → sequenza di basi

Quanti geni ci sono in un genoma?

Il genoma più piccolo di un batterio capace di vita autonoma ha bisogno di almeno 1500 geni: questo è il numero di geni minimo che può garantire alla cellula di svolgere le proprie funzioni base. Ci sono però anche dei batteri che vivono con 4 megabasi. Sotto i 1500 geni difficilmente un organismo riesce ad avere una vita autonoma. Ci sono specie vegetali che hanno 25000 geni: ciò dimostra che non c’è linearità evolutiva. Anche il numero di cromosomi non è lineare ma è caratteristico di ciascuna specie: i bovini hanno 64 cromosomi, i cervi 14. L’unica cosa certa è che ogni organismo ha un numero finito di cromosomi.