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Riassunto esame Biologia applicata, prof. Scalia, libro consigliato e Genetica, De Leo Appunti scolastici Premium

Riassunto per l'esame di Biologia applicata, basato su rielaborazione di appunti personali e studio del De Leo, terza ed., riguardante gli argomenti:
1)Basi generali della biologia; 2) Gli acidi nucleici; 3)Replicazione DNA; 4)Trascrizione e maturazione RNA; 5)Struttura codice genetico e traduzione; 6)Membrane e meccanismi di trasporto; 7)Meccanismi di segnalazione cellulare; 8)Meccanismi e vie... Vedi di più

Esame di Biologia applicata docente Prof. M. Scalia

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questa maniera il cromosoma andrebbe sempre più a diminuire le proprie dimensioni. Nel

1989 Greider e Blackburn hanno individuato l’attività di un enzima chiamato telomerasi,

costituita da un core enzimatico formato da una proteina denominata TERT ed un piccolo

RNA, TERC. Essa si presenta come una trascittasi inversa, capace di sintetizzare DNA

dall’RNA, utilizzando il proprio RNA come stampo per allungare l’estremo 3’ in modo da

offrire uno stampo più lungo per l’azione della primasi nella sintesi del filamento

complementare dall’estremo 5’ verso il 3’, facendo si che l’eliminazione dell’innesco non eroda

progressivamente il DNA.

Il DNA delle cellule somatiche è soggetto ad erosione e l’accorciamento dei telomeri

sembra essere un evento fondamentale che determina fenomeni di senescenza. La

riattivazione delle telomerasi invece in cellule in cui è normalmente repressa, viene associata

con la trasformazione neoplastica potendo le cellule dividersi indefinitivamente. E’ probabile

comunque che esistano proteine in grado di regolare la lunghezza dei telomeri tenendola

costante. Ad esempio nell’uomo è stata trovata una proteina che potrebbe svolgere questo

ruolo, la TRF 1, che oltre a spiazzare i telomeri regolando la loro lunghezza in maniera

costante, avrebbe il compito di incappucciare il tratto a singola elica, evitando che il ciclo

cellulare si blocchi perchè innescato un segnale di DNA danneggiato.

Indicato come un componente essenziale dell’apparato il PCNA (antigene nucleare di

proliferazione cellulare), scoperto nel 1978 da K. Miyachi, è una proteina accessoria della

DNA polimerasi-epsilon e della DNA polimerasi delta, coinvolto in processi di riparazione del

DNA. Potendo legare la DNA polimerasi-delta ed interagire con la DNA polimerasi-epsilon

ed ha un ruolo essenziale nei processi riparativi. Esso viene portato sul DNA grazie a RF-C in

un processo ATP-dipendente, e lega la ciclina D che ha un ruolo fondamentale nel

determinare la fase di start. Questo legame determina che la PCNA non entri in funzione gia

dalla fase G1, mentre durante la transizione da fase G1 a fase S vi è una diminuizione della

ciclina D e quindi un incremento di PCNA libero che consente la sintesi di DNA. Se questo

risulta danneggiato i livelli di ciclina diminuiscono alla stessa maniera per consentire al PCNA

di agire nei meccanismi di riparazione. Se il danno però è irreparabile la cellula che comunque

è uscita dal ciclo cellulare va incontro a morte programmata, definita apoptosi.

Il meccanismo di replicazione del DNA deve quindi contemplare la possibilità di errori

che se stabiliti stabilmente nel genoma, prendono il nome di mutazioni. Se a carico delle

cellule germinali, queste saranno trasmesse alla progenie, se invece a carico di cellule

somatiche, rimarranno delle trasformazioni neoplastiche a carico del singolo individuo.

Alterazioni possono anche essere dovute a fattori ambientali, come l’esposizione continua a

raggi ultravioletti. E’ necessario riparare i danni e mantenere le frequenze di mutazioni a valori

opportunamente bassi, e ciò che sfugge alla correzione immediata sarà corretto

successivamente, secondo un meccanismo che si basa sul riconoscimento del tratto da

riparare dovuto a distorsioni insolite della doppia elica. Esistono metodi di riparazione alla luce

che avvengono per azione della fotoliasi che rimuove le pirimidine danneggiate, o metodi di

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riparazione per escissione (detta anche riparazione al buio) durante la quale viene

riconosciuta la distorsione e viene effettuato un taglio di alcuni nucleotidi a monte e a valle

del dimero, provocando un’interruzione che viene riempita dall’azione della DNA polimerasi I,

mentre l’azione finale delle ligasi salda i frammenti. Esiste poi la riparazione dovuta alla glicolisi

durante la quale viene rimossa la base anormale dal desossiribosio a cui è legata grazie alla

glicosilasi che rompe il legame glicosidico che unisce la base allo zucchero, rendendo questo

sito un sito apurinico o apirimidinico, mentre un AP endonucleasi taglia lo scheletro zucchero-

fosfato e la DNA polimerasi I, che procede dall’estremo 3’ rimuovendo anche alcuni nucleotidi

adiacenti grazie ad attività esonucleasica 5’-3’. Infine interviene la ligasi a saldare. Infine la

riparazione per correzione di un appaiamento errato tra basi (mismatch repair) che prevede

la rimozione di un lungo filamento che include la base ma appaiata, avvalendosi come segnale

la metilazione di A nelle sequenze GATC. Quando la doppia elica si apre, i filamenti

neosintetizzati saranno demetilati per un breve periodo di tempo, finchè non viene

riconosciuta la base mal appaiata. Il tratto viene rimosso e riempita dalle rispettive DNA

polimerasi, mentre le ligasi completa l’opera. Altri meccanismi di riparazione, come la

rimozione di gruppi alchilici non prevedono la sostituzione di tratti più o meno estesi di DNA

ma il diretto ripristino della base scorretta.

Il danneggiamento del DNA costituisce uno dei punti di controllo (checkpoint) del ciclo

cellulare.

! TRASCRIZIONE E MATURAZIONE DEGLI RNA.!

! Il riscrivere le sequenze desossiribonucleotidiche del DNA in sequenze

ribonucleotidiche, cioè in molecole di RNA, costituisce il processo definito come trascrizione

dell’RNA che, una volta sintetizzato, è definito trascritto. La funzione degli RNA è

strettamente connessa con la sintesi proteica, in quanto interagiscono tra di loro per

promuovere la formazione di legami peptidici. L’RNA può però partecipare anche ad una

attività catalitica, o svolgerla; infatti essendo un ribozima, può partecipare al riconoscimento di

segnali in processi maturativi di proteine, o degli stessi RNA, oltre che intervenire al

compattamento della cromatina. Gli RNA possono essere divisi in tre rigide categorie: mRNA,

rRNA e tRNA, anche se sono state ritrovate sequenze in doppia elica di RNA-RNA che

fanno pensare ci sia ancora molto da capire.

La sintesi degli RNA avviene dal terminale 5’ al terminale 3’, e l’apparato che opera è

definito RNA polimerasi, mentre i nucleotidi interessati saranno l’adenosina trifosfato, la

guanosina trifosfato, la citidina trifosfato e l’uridina trifosfato.

La reazione può essere così scematizzata: !

RNAn + rnPPP —> RNA(n+1) + PPᵢ

!

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Il ribonucleoside trifosfato (rnPPP) perde il pirofosfato (PPᵢ) per legarsi all’RNA

nascente, e la successiva idrolisi del PPᵢ in due molecole di fosfato inorganico, renderà

altamente esoergonica la reazione.

Delle due eliche di DNA ne viene copiata solo una che funge come stampo. Uno dato

filamento però può risultare trascrivente per un dato tratto e non-trascrivente per altri. Il

tratto trascritto, definito gene, deve contenere dei segnali che indicano ove l’RNA polimerasi

riconosce l’elica senso e segnali di termine della trascrizione.

Si indica come promotore il sito del DNA ove di lega l’RNA polimerasi prima di iniziare

la trascrizione e dove agirà in direzione 3’OH al 5’P, dando vita ad una molecola identica a

quella dell’elica non-trascrivente con la sostituzione dell’U al posto di T.

I tratti che vengono sintetizzati possono essere estremamente lunghi, e la velocità di

trascrizione è circa 10-15 volte più bassa della velocità di replicazione (in particolare i valori

valgono per il caso di E.Coli), dunque gli apparati enzimatici potrebbero collidere e sono

dunque state ipotizzate tre soluzioni:

a. L’apparato di replicazione può spiazzare completamente l’apparato di trascrizione;

b. L’apparato di replicazione può rallentare ed inseguire l’apparato di trascrizione;

c. L’apparato di replicazione può sorpassare l’apparato di trascrizione senza spiazzarlo

dallo stampo.

E’ logico pensare che la più accreditata tra le tre sia la c) e di conseguenza la trascrizione

potrà riprendere dopo un momento di pausa, e quindi la sintesi di DNA non distrugge il

trascritto nascente e, quando la forcella di replicazione giunge a ridosso della RNA polimerasi

provoca una momentanea destabilizzazione dell’ibrido DNA-RNA, con l’RNA nascente che

però rimane comunque all’RNA polimerasi che si comporta come se fosse comunque adesa

al DNA stampo, e ciò consente la ripresa della trascrizione alle spalle della DNA polimerasi.

!

Trascrizione nei batteri.!

L’RNA polimerasi è costituita in tutti i batteri da un core, l’apoenzima, di quattro

subunità: due alfa, una beta e una beta’. La molecola completa sarà l’oloenzima che prevede

l’assemblaggio di un ulteriore componente la subunità sigma che lega direttamente i

promotori sul DNA. Quest’enzima può soltanto allungare il trascritto dopo la fase di inizio

della trascrizione.

I promotori batterici degli mRNA sono costituiti da due serie di sequenze nucleotidiche

definite -35 e -10, di cui quest’ultima è ricca di adenine e timine che consentono una più facile

apertura della doppia elica in questa regione definita Pribnow box. Una volta aperta la doppia

elica, inizia la sintesi dal nucleotide +1 dal promotore in direzione 5’-3’. Essa subisce però dei

rallentamenti (pause) dovuti alla presenza di tratti ricchi di citosina e guanina dove i tre legami

idrogeno ostacolano il cammino della RNA polimerasi. Il forte segnale di rallentamento che

viene subito infine dalla polimerasi nel sito definito terminatore, determina il segnale per il

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rilascio del trascritto. Esiste anche una modalità di termine della trascrizione che dipende

ρ,

dall’esistenza di un fattore proteina tetramerica con attività ATPasica, che insegue la

polimerasi viaggiando a velocità costante e che ha ruolo fondamentale nel sito definito

terminazione-ρ-dipendente favorendo il rilascio del trascritto.

In alcuni casi l’RNA polimerasi ha bisogno di attivatori per poter essere saldamente

legata al promotore. Uno dei più studiati può essere il CAP che opera in E.Coli e si lega ad

una sequenza molto vicina al promotore dei geni che operano il catabolismo di lattosio

(operone Lac) e del galattosio (operone Gal). I promotori possono però interagire anche con

repressori che chiaramente riducono il livello di trascrizione. Infine l’RNA polimerasi può

formare trascritti che portano con se più informazioni. E’ questo il caso dell’mRNA

policistronico, dove il cistrone è un segmento di DNA cui corrisponde un unico peptide.

Gli mRNA sono caratterizzati da pochi eventi maturazionali, dal momento che la loro

estremità 5’P è immediatamente catturata dai ribosomi che leggono l’mRNA in un processo

di traduzione che avviene contemporaneamente alla trascrizione; si dice quindi che la

traduzione sia un evento co-trascrizionale.

Gli rRNA batterici hanno un coefficiente di sedimentazione di 16S, 23S e 5S. Questi

rRNA hanno un ruolo chiave nella sintesi proteica. Nell’esempio di E.Coli si nota che il DNA

possiede sette copie di tratti di DNA ciascuno dei quali, oltre che sequenze stampo per 16S,

23S e 5S, possiede anche le sequenze per alcuni tRNA. Questo DNA possiede due

promotori localizzati il primo a -300 ed il secondo a 110 nucleotidi a valle del primo. Ogni

promotore possiede sequenze simili a quelle degli mRNA. L’RNA precursore, che emerge da

ognuno dei sette tratti di DNA distribuiti nel cromosoma circolare, possiederà tratti spaziatori

e tratti che corrispondono agli rRNA ed ai tRNA. Entrambi vengono quindi rilasciati da tagli

specifici mediati da enzimi che prendono il nome di RNasi.

In archeobatteri e in cianobatteri sono state identificate sequenze introniche che sono

dotate di capacità enzimatica(ribozimi) di eliminarsi dal precursore, in un fenomeno che è

stato definito di autosplicing.

Trascrizione negli eucarioti. !

L’apparato di trascrizione negli organismi eucariotici risulta molto più complesso.

Vi sono tre RNA polimerasi che vengono denominate RNA polimerasi I,II e III e che

riconoscono promotori diversi. In particolare, l’RNA polimerasi I sintetizza il precursore 45S,

che maturerà nel nucleolo in rRNA 18S; 5,8S; e 28S, l’RNA polimerasi II sintetizza gli mRNA e

la RNA polimerasi III sintetizza per l’rRNA 5S ed i tRNA. La RNA polimerasi II sintetizza

inoltre la maggior parte degli snRNA, mentre gli snoRNA sono generati come risultato dal

processo di splicing. Recentemente sono state identificate anche molecole di RNA

piccolissime con funzione di regolazione genica, che prendono il nome di microRNA, miRNA,

e trascritti anch’essi dalle RNA polimerasi II.

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Le tre polimerasi sono costituite da un core che è capace di polimerizzare ed è il

cosiddetto GTF, fattore generale della trascrizione, e le differenze stanno nelle subunità che le

compongono. Ad esempio i GTF della polimerasi II sono almeno 7: TFIIA,TFIIB,TFIID,TFIIE,

TFIIF,TFIIH,TFIIJ, che lavorano insieme per riconoscere il promotore e successivamente agire.

I promotori riconosciuti hanno caratteristiche peculiari. Ad esempio la RNA polimerasi I

riconosce due sequenze che sono l’elemento promotore core ed un elemento promotore a

monte.

L’RNA polimerasi II riconosce il promotore caratterizzato da una particolare sequenza

definita TATA BOX, per la sua composizione in adenine e timine, che è localizzata ad una

distanza di circa 30, 25 nucleotidi dal sito di inizio. Talvolta però è presente anche una altra

sequenza che è la CAAT BOX, situata a circa 80 nucleotidi dal sito di inizio.

Il momento chiave dell’attività dell’RNA polimerasi II è il riconoscimento della TATA

BOX, da parte della TBP, una componente di TFIID. TBP è infatti associata a circa 8-12 fattori

denominati TAF, ed insieme costituiscono il TFIID, cui si possono legare in sequenza TFIIA e

TFIIB. TFIIB è in grado di legare un attivatore più a monte nel DNA, direttamente o

indirettamente attraverso l’azione di un coattivatore. Tutto ciò genera la formazione di una

curva sul DNA, che prende il nome di bending, che è necessaria per la trascrizione.

Successivamente si legano TFIIE, TFIIF, TFIIH e TFIIJ ed il core della RNA polimerasi II per

consentire lo srotolamento del DNA e l’inizio della sintesi dell’mRNA grazie all’idrolisi di una

molecola di ATP. Tuttavia esistono anche promotori TATA-less, ovvero mancanti di TATA box,

che vengono comunque riconosciuti da TFIID.

I promotori per RNA polimerasi I ed RNA polimerasi II non hanno nè TATA ne CAAT

box.

Il rimodellamento della cromatina.!

L’organizzazione della cromatina è un passo cruciale per permettere o meno che un

determinato gene sintetizzi RNA.

Il processo di trascrizione ha inizio solo se il DNA presente sui promotori è accessibile

all'RNA-polimerasi, l'enzima deputato a copiare lo stampo, e ai fattori trascrizionali che ne

riconoscono specifiche sequenze; inoltre la doppia elica si deve aprire (denaturare) al

passaggio dell'enzima, per richiudersi (rinaturarsi) subito dopo. La struttura della cromatina, già

a partire dalla fibra da 10 nm, ostacola tutti questi passaggi indispensabili all'espressione genica,

rendendo necessaria la formazione di una struttura più facilmente raggiungibile. I complessi di

rimodellamento della cromatina ATP-dipendenti rappresentano una famiglia di proteine che,

utilizzando l'energia ottenuta dall'idrolisi dell'ATP e agendo a livello dei nucleosomi,

perturbano fisicamente la struttura della cromatina con meccanismi che si sono conservati

lungo la scala evolutiva dal lievito fino all'uomo.

Questi complessi, e in particolar modo quelli appartenenti alla famiglia SWI/SNF e

fattore GAGA, in vivo facilitano lo spostamento dei nucleosomi, la perturbazione dei livelli

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superiori di organizzazione della cromatina e, molto spesso, l'attivazione trascrizionale di

specifici geni.

L'aggiunta di gruppi alle estremità N-terminali , l'acetilazione, la metilazione, la

fosforilazione, ubiquitinazione e la sumoilazione sono fenomeni che determinano il

rimodellamento della cromatina. Il risultato di tutte le combinazioni ottenute dall'aggiunta e

dalla sottrazione dei vari gruppi determina il codice istonico. L'espressione genica è

influenzata da queste modificazioni e, più in particolare, in funzione del tipo di modificazione

chimica così come del residuo amminoacidico coinvolto si può avere una risposta di tipo

attivatorio o repressorio.

Oggi sappiamo che l'ACETILAZIONE è un processo reversibile catalizzato da due

gruppi di enzimi. Le acetiltransferasi istoniche trasferiscono dal cofattore acetil-CoA un

ε

gruppo acetilico sul gruppo amminico delle lisine degli istoni; al contrario, la rimozione del

gruppo acetilico è catalizzata dalle deacetilasi istoniche (HDAC). Quando gli istoni sono

deacitilati, la trascrizione è repressa; quando gli istoni sono acetilati, la trascrizione è attivata.

L'acetilazione e la deacetilazione sono controllati da repressori e attivatori che regolano i

cambiamenti di struttura della cromatina: i repressori determinano la deacetilazione dell'istone

che si lega al TATA box, così che i fattori generali di trascrizione non si possano legare al TATA

box e ne viene impedito il legame delle proteine necessarie alla trascrizione dell'mRNA; gli

attivatori favoriscono l'acetilazione cos' si può realizzare il legame tra fattori generali di

trascrizione al TATA box e iniziare la trascrizione.

In biologia molecolare, la METILAZIONE costituisce il più importante processo di

modificazione del DNA nei Vertebrati e nelle piante.Dei circa 3 miliardi di coppie di basi che

costituiscono un tipico genoma di mammifero, circa il 40% sono coppie CG (citosina guanina)

e il 2-7% di esse è modificato dall’aggiunta di un gruppo metilico alla citosina.

Maturazione dell’mRNA.!

Mentre gli mRNA batterici sono utilizzati subito dopo la trascrizione, senza dover

passare da un processo di maturazione, negli eucarioti, il trascritto originale è detto mRNA

precursore o premRNA, che deve subire ancora un processo di maturazione.

Primo processo che si verifica è quello del capping,che prevede l’aggiunta di una GMP,

guanosin monofosfato, in posizione 5’, che subisce subito dopo un ripiegamento, così che

l’mRNA cominci con un estremo 3’OH. La funzione del CAP è quella di favorire il legame ai

ribosomi, che non possono legarsi ad un RNA messaggero privo di cappuccio, ma anche di

proteggere l’estremo 5’ dalle ribonucleasi.

Altro processo è la poliadenilazione che riguarda l’aggiunta di numerosi ribonucleotidi

contenenti adenina, e questa coda viene definita poliA. Affinchè avvenga questo evento

maturazionale, il messaggero deve possedere la caratteristica sequenza AAUAAA. Il primo

evento relativo alla realizzazione della poliadenilazione è la scissione endonucleotidica della

porzione terminale 3’ del trascritto, mediata da un complesso definito CF, cleavage factors.

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Successivamente entrano in funzione i fattori CPF, cleavage and polyadenilation factors, che

consentono alla poli(A)polimerasi, o PAP, di riconoscere la sequenza AAUAAA. A questo

punto la PAP aggiunge solo una decina di AMP, mentre la PABII riconosce la coda corta della

PAP e provvede ad allungamento di 200 nucleotidi circa. Si è dunque formata la coda poliA,

che avrà il compito principale di determinare la stabilità dell’mRNA, in quanto la composizione

di un estremo influenza eventi degradativi che operano all’altro estremo.

Altro processo è lo splicing che consiste nel rimuovere, dall’interno del trascritto che sta

maturando, sequenze che non hanno significato, che prendono il nome di introni. La perdita di

questi “pezzi” però determina la necessità di ricucire i pezzi che sono rimasti, che prendono il

nome di esoni, in un processo di giuntaggio. Gli introni vengono identificati per la presenza

della sequenza GU all’estremo 5’ e AG all’estremo 3’, e vengono riconosciuti da un processo

snRNP , che si pronuncia “snurp”, ed è un complesso di snRNA e proteine che insieme

formano lo spliceosoma, e vengono indicati con la sigla U. L’eliminazione degli introni prevede

la formazione di una struttura a forma di cappio, lariat, che provvede a tagliare l’estremità 3’

dell’introne ed a promuovere la saldatura degli esoni. L’apparato dello splicing è localizzato in

zone ben precise del nucleo che prendono il nome di speckle.

Esiste una forma di splicing, denominato splicing alternativo, per cui alcuni introni

vengono considerati come esoni, e dunque da un tratto di DNA si hanno prodotti diversi.

Sembra che nel riconoscere questi tratti, gli spliceosomi siano coadiuvati da fattori di splicing

alternativo. Ma vi sono anche altri metodi per ricavare prodotti diversi dallo stesso tratto di

DNA come l’inizio della trascrizione da un sito di inizio trascrizione alternativo oppure la fine

della trascrizione ad un segnale di terminazione della trascrizione alternativo.

Ultimo meccanismo di maturazione è l’editing, che interessa alcuni mRNA nucleari. Il

meccanismo prevede la formazione di un duplex gRNA-mRNA, per cui uno, il gRNA, procede

come filamento guida, indicando, tramite appaiamenti sbagliati, quali sono i nucleotidi da

sostituire nell’mRNA. E’ da specificare che i gRNA siano di provenienza intronica.

Maturazione di rRNA e tRNA.!

Gli rRNA maturi che costituiscono i ribosomi degli eucarioti sono il 28S, il 18S, il 5,8S e

il 5S. I primi tre provengono da un unico grande precursore che è il 45-41S, la cui sintesi e

maturazione avvengono nella zona fibrillare del nucleolo, mentre l’assemblaggio con l’rRNA 5S

e le proteine ribosomali avviene nella zona granulare del nucleolo. I geni per il precursore

comune sono organizzati in gruppi, denominati cluster, che determinano la regione

organizzatrice del nucleolo, o NOR, che si trova generalmente su una coppia di cromosomi

omologhi. Nell’uomo sono cinque le coppie di cromosomi che contengono i cluster di geni.

Un singolo gene all’interno di un cluster è sperato dal gene adiacente da uno spaziatore

intergenico, o spacer. La struttura del singolo gene inoltre vede nel suo interno sequenze che

sono separate da spaziatori intragenici che saranno letti dalla polimerasi I, e per avere rRNA

maturi, bisognerà eliminare tutti gli spaziatori intragenici.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 22

L’rRNA 18S si viene a formare quasi subito dal precursore comune, che insieme

produce anche un frammento residuo di circa 32S. Da quest’ultimo si verranno a formare i

5,8S e il 28S. Nello splicing che avviene nella maturazione del 28S, sono proprio le sequenze

introniche a determinarlo, e questo si presenta come un esempio di self-splicing.

Modificazioni avvengono anche a carico dei singoli nucleoitidi dei singoli nucleotidi del

45-41S, immediatamente dopo la trascrizione, che consistono nella metilazione e nella

sostituzione di numerosi residui di uridina in pseudouridina. Sia la metilazione che il

cambiamento di uridina in pseudouridina avviene grazie all’aporto di snoRNA, che svolge un

ruolo di guida.

I geni per il tRNA sono organizzati in gruppi e, in ogni cluster, ciascun gene è separato

dai geni vicini da spaziatori intergenici, che non danno vita a trascritti. Il pre-tRNA, per essere

maturo, deve perdere sequenze terminali sia al 5’ che al 3’, e in alcuni casi deve anche

effettuare splicing, che in questo caso è però effettuato solamente da enzimi proteici. Infine

altri eventi maturazionali a suo carico sono il cambiamento di qualche base ed infine l’aggiunta

al terminale 3’ della sequenza comune 5’-CCA-3’ da parte della tRNA nucleotidil transferasi.

Concetto di gene ed RNA world.!

Allo stato attuale non è possibile dare una definizione precisa di gene, in quanto non è

possibile raggruppare tutti i modi di essere di un gene con una semplice frase.

La stretta interdipendenza tra acidi nucleici e proteine è stata, da sempre, un grande

ostacolo per comprendere le relazioni evolutive. Tuttavia, negli anni ’80, Cech e Altmann,

scoprirono la presenza di un RNA con attività catalitiche, che denominarono ribozima.

L’attività catalitica dell’RNA, lo rendeva una molecola autonoma, e fu quindi ipotizzata la

presenza arcaica di un mondo primitivo ad RNA, che non aveva bisogno ne di DNA ne di

proteine. I desossiribonucleotidi, si sarebbero formati dopo dai ribonucleotidi, ed il DNA

avrebbe preso vita per un’attività di trascrittasi inversa. La sua maggiore stabilità e quindi la sua

possibilità di contenere maggiori informazioni, fecero si che venisse sostituito all’RNA, che

diventò così uno strumenro di passaggio.

LA STRUTTURA DEL CODICE GENETICO E LA

TRADUZIONE. !

Il Dogma Centrale della Biologia, prevede che il DNA, venga copiato come RNA e

questo venga letto per la sintesi di proteine. Ma ciò richiede già implicitamente uno

stratagemma che permetta di combinare con un alfabeto di 4 lettere, un totale di ventidue

parole.

Agli inizi degli anni ’60 Yanofsky, formulò il principio di collinearità, secondo il quale vi è

una corrispondenza tra una sequenza nucleotidica ed una sequenza amminoacidica. Ciò

perchè al variare un nucleotide del DNA poteva variare un amminoacido nella

corrispondente sequenza all’interno della proteina. Ma un semplice ragionamento matematico,

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porta a concludere che un singolo nucleotide non può corrispondere ad un singolo

amminoacido, in quanto a 4 nucleotidi corrisponderebbero 4 amminoacidi. Tramite un

semplice calcolo combinatorio, dunque, si capì che l’unità codificante doveva necessariamente

essere una sequenza di tre nucleotidi (perchè di due avrebbe dato soltanto 16 amminoacidi),

che possono portare ad una combinazione di 64 amminoacidi. Essendo però gli amminoacidi

soltanto 22, vi saranno sequenze, che prendono il nome di triplette o codoni, sinonime tra di

loro o altre che non hanno significato. Ciò porta a definire quindi il codice genetico come

l’insieme dei codoni a cui corrispondono i vari amminoacidi più i codoni di termine (non

senso). Le sue proprietà fondamentali inoltre risultano quello di essere continuo e senza

virgole, quello di essere degenere. Il codice inoltre non è sovrapposto, ma essendo continuo,

la sostituzione di una base in una tripletta, non incide con la tripletta successiva. Il codice è

degenere, in quanto secondo dei calcoli matematici, vi dovrebbero essere 44 segnali di stop,

per ogni sequenza, invece ve ne sono soltanto pochi. Infine il codice è universale, cioè

presente in tutti gli organismi identico, con l’eccezione di alcuni codoni mitocondriali.

L’apparato di traduzione:Ribosomi e tRNA. !

I ribosomi sono costituiti da due subunità che hanno forme simili in batteri ed eucarioti.

Sono costituiti da rRNA e proteine che a seconda che siano appartenenti alla subunità

maggiore o minore, prendono il nome di proteine L o S. Il precursore degli rRNA nei batteri

è tracritto da una porzione del genoma che contiene anche tRNA, mentre negli eucarioti è

organizzato a partire dal NOR, organizzatore del nucleolo, e matura nella regione fibrillare del

nucleolo. In entrambi, eucarioti e procarioti, la concentrazione ionica assume granda

importanza nell’unione tra le due subunità.

I tRNA vengono raffigurati con una forma a trifoglio e, partendo dall’estremità 3’OH, si

trova immediatamente una sequenza, definita accettore, che è la 5’P-CCA-3’OH, dove si lega

l’amminoacido con l’estremo COOH. L’enzima che lega l’amminoacido prende il nome di

amminoacil-tRNA-sintetasi, e lega specificatamente un amminoacido al suo tRNA

riconoscendolo in siti specifici. Il primo braccio che si incontra è il TpseudouracileC, mentre

immediatamente dopo si incontra il braccio variabile. Il primo ha il compito di ancorare al

meglio la subunità maggiore del ribosoma al tRNA, il secondo a mantenere costanti le

dimensioni tra i vari tRNA. Subito dopo si incontra l’ansa dell’anticodone, dove è appunto

presente l’anticodone, che si appaia in maniera antiparallela al codone. Infine l’ansa D contiene

diidrouracile.

La prima base dell’anticodone è talvolta definita vacillante, perchè, essendo situata

all’interno dell’ansa, poteva non allinearsi con la 3^ base al 3’ del codone per formare i legami

richiesti.

Infine tRNa e rRNA determinano l’attività catalitica del centro peptidil-transferasico

deputato alla formazione del legame peptidico.

La traduzione nei procarioti.!

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 24

Distinguiamo nella traduzione una fase ATP-dipendente ed una GTP-dipendente, e

nell’ambito di questa distinguiamo inizio, allungamento e termine.

FASE ATP-DIPENDENTE. !

La formazione del complesso amminoacil-tRNA è mediata da un enzima che prende il

nome di amminoacil-tRNA sintetasi, che generalmente è unica per ogni amminoacido.

Inizialmente si ha un’interazione tra l’enzima, l’ATP e l’amminoacido. Da qui si ha la formazione

di un amminoacido adenilato e la successiva interazione dell’enzima con il tRNA. A questo

punto vi è la formazione del legame tra tRNA e amminoacido e il distacco del complesso

amminoacil-tRNA dall’enzima.

FASE GTP-DIPENDENTE.!

Inizio. Il problema è quello di individuare, oltre all’mRNA, la giusta cornice di lettura.

cioè il giusto segnale di inizio della traduzione, la tripletta AUG (talvolta GUG), distante una

trentina di basi a partire dall'estremo 5'P. Prima della corretta tripletta di inizio c'è un segnale

ricco in purine, chiamata sequenza di Shine e Dalgarno, costituito da basi complementari ad

una sequenza posta sull'rRNA 16S, presente sulla subunità minore del ribosoma. Le subunità

ribosomiali presentano un sito P (peptidilico), un sito A (amminoacilico) e un sito E (exit,

uscita), e dei fattori di inizio (IF= initiator factors) IF1, IF2, IF3.

Le subunità ribosomiali maggiore e minore sono separata grazie all'intervento di una

molecola di IF3 associata alla subunità minore. La subunità minore interagisce con l'mRNA,

che lega la sequenza di Shine-Dalgarno alla corrispondente sequenza presente nell'rRNA 16S,

localizzando il codone di inzio (AUG) alla base del sito P del ribosoma, che viene occupato da

una molecola di tRNA iniziatore carico (cioè a cui è attaccato un amminoacido, il primo in

particolare che è la formil-metionina), l'tRNA formil metionina, e integrato da una molecola di

IF2 legata a GPT. L'inserimento del tRNA iniziatore nel sito P richiede l'idrolisi di GTP legata al

IF2. L'associazione subunità minore- Rna messaggero - tRNA iniziatore carico è chiamata

complesso di inizio.

Il sito A è libero e quindi potrà legarsi alla tripletta successiva e ai restati amminoacil-

tRNA.

Contemporaneamente all'idrolisi di GTP viene aggiunta la subunità maggiore al

complesso di inizio e i tre fattori di inizio sono rilasciati. Si completa in questo modo la fase di

inizio.

Allungamento. L’arrivo dell’amminoacido richiesto dalla tripletta successiva, nel sito A,

costituisce l’allungamento, mediato da fattori specifici che sono EF-Ts-Tu. Inizialmente Tu si

dissocia da Ts e, utilizzando GDP, porta l’amminoacil-tRNA sul messaggero. Dopo aver liberato

l’amminoacido, Tu si ricongiunge a Ts ed il ciclo riprenderà alla tripletta successiva. Nel

frattempo la posizione del tRNA sul ribosoma dovrà essere tale che il centro peptidil-

transferasico della subunità maggiore, possa favorire la formazione del legame peptidico tra il

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 25

COOH dell’amminoacido in sito P all’NH2 dell’amminoacido in sito A. A questo punto il

fattore di allungamento EFG promuove lo slittamento del ribosoma per la tripletta successiva.

Termine della traduzione. La più presenza di codoni non senso stimola infine i fattori

di rilascio RF1, RF2 ed RF3, che in combinazione con EFG promuovono la liberazione della

catena polipeptidica. Infine il fattore RRF dissocia la subunità minore del ribosoma dalla

maggiore, di ogni ribosoma che finisce la traduzione del singolo filamento di mRNA. I

ribosomi infatti si associano tra di loro, su un singolo mRNA a formare i polisomi o

poliribosomi.

La traduzione negli Eucarioti.!

Sono numerose le differenze con i procarioti nella traduzione. Una prima è la fase di

inizio che è regolata da numerosi fattori. L’amminoacido iniziatore è in questo caso la

metionina, ed esistono due tRNA, uno iniziatore e l’altro deputato all’allungamento. Solo dopo

aver riconosciuto il cap dell’mRNA, il ribosoma scorre lungo esso alla ricerca del codone di

inizio AUG, ed il tratto che lo separa dal primo nucleotide, prende il nome di filamento leader.

Manca la sequenza di Shine-Dalgarno, ma il codone di inizio si trova molto spesso all’interno

di una sequenza caratteristica che prende il nome di sequenza di Kozak.

Gli mRNA eucariotici sono infine definiti monocistronici e, avendo definito il cistrone

come corrispondente ad un solo messaggio, contengono appunto un solo messaggio, mentre

gli mRNA batterici si presentano policistronici.

E’ importante riconoscere le differenze tra le due classi di cellule, per poter utilizzarle in

casi come ad esempio quello degli antibiotici, dove si cerca di colpire selettivamente gli

organismi estranei e non quelli appartenenti all’organismo.

Folding e misfolding delle proteine.!

E’ recente il concetto secondo cui i fattori che agevolano il ripiegamento delle proteine,

folding, siano anch’essi di natura proteica.

I prodotti mal ripiegati all’interno della cellula, frutto del misfolding, sono eliminati da un

apparato definito proteasoma-ubiquitina. L’ubiquitina è infatti una proteina capace di legarsi

covalentemente ad altre proteine e che, se legata in almeno quattro legami ad una proteina,

poliubiquitizzazione, segnala la proteina al proteasoma, che è un complesso proteico con

attività proteasica. La mancata eliminazione delle proteine non correttamente avvolte genera

l’accumulo di aggregati insolubili che prendono il nome di fibrille amiloidi.

REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA.!

Un gene esprime la sua attività non solo come prodotti di trascrizione, ma anche, in

definitiva, come prodotti di traduzione degli mRNA che da esso possono essere generati.

Accanto alla attività soggette a regolazione, che si chiamano regolative, ve ne sono di base e

sempre espresse che si chiamano costitutive.

Regolazione nei procarioti. !

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 26

A livello tracrizionale la cellula batterica regola l’espressione del gene attraverso il

modello dell’operone, definito come un tratto di DNA comprendente tratti regolativi, quali

promotore ed operatore, e geni strutturali.

Gli operoni vengono definiti inducibili o reprimibili, a seconda che possano essere

attivati o inibiti. Inoltre la maffior parte delle volte operoni inducibili sono catabolici, mentre i

reprimibili sono anabolici. Il substrato, infine, può agire da induttore o soprressore.

Un esempio di operone inducibile è l’operone Lac o del lattosio.

Il lattosio viene scisso in glucosio e galattosio per mezzo della beta-galattoidasi, mentre

la permeasi ne agevola il trasporto all’interno della cellula. Nel caso in cui manchi lattosio,

allora una proteina che agisce da repressore, lega l’operatore e ne inibisce la trascrizione. Nel

caso in cui vi sia invece la presenza di lattosio, questo sarà in grado di legare il repressore

rendendolo inattivo, mentre l’operatore sarà libero di trascrivere. Ma, essendo il glucosio il

prodotto finale, nel caso in cui il glucosio fosse già presente insieme al lattosio, questo

dovrebbe interagire con il meccanismo di regolazione, impedendo o limitando la sua stessa

produzione. Ciò avviene in quanto un metabolita del glucosio agisce inibendo l’adenilatociclasi

e attivando la fosfodiesterasi, così da diminuire i livelli di cAMP. Infatti il cAMP è anch’esso un

attivatore dell’operone Lac.

! MEMBRANE E MECCANISMI DI TRASPORTO.!

Metaboliti quali zuccheri, grassi ed altre materie prime entrano nelle cellule dallo spazio

extracellulare e attraversano il doppio strato fosfolipidico in entrata, mentre prodotti di scarto

lo attraversano in senso opposto. Il flusso continuo di ioni e di molecole di acqua, in entrambe

le direzioni ed in tutti i compartimenti cellulari, assicura che le concentrazioni di queste

sostanze siano mantenute entro i valori compatibili con la vita e con le funzioni cellulari. La

maggior parte delle molecole biologiche, non riesce a passare attraverso la membrana a causa

della sua composizione chimica.

La membrana plasmatica, per la sua composizione, risulta selettivamente permeabile e,

per attraversarla, esistono tre principali e differenti modalità di trasporto, che sono:

a)diffusione semplice; b)diffusione facilitata; c) trasporto attivo. Nei primi due meccanismi non

vi è necessità di apporto di energia, e per questo motivo sono definiti tipi di trasporto

passivo, nel terzo invece si richiede apporto di energia, in quanto si lavora contro-gradiente di

concentrazione.

La diffusione semplice. !

Nella diffusione semplice, il flusso netto delle sostanze si svolge dal compartimento a

più alta concentrazione, verso quello a concentrazione più bassa, senza consumo di energia

fino a quando non si raggiunge una situazione di equilibrio. Si ritiene che in questo caso, il

passaggio delle molecole attraverso il doppio strato fosfolipidico avvenga attraverso gli spazi

intermolecolari tra le catene degli acidi grassi dei fosfolipidi.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 27

Tipo particolare di diffusione semplice è l’osmosi, che avviene quando due diverse

soluzioni acquose, contenenti quantità diverse di soluto, sono separate da una membrana

semipermeabile che permette il passaggio del solo solvente. Questo tipo di diffusione non è

influenzata dal tipo di sostanza disciolta, ma dalla quantità presente ad entrambi i lati della

membrana. Le molecole del soluto, infatti, rompono la geometria delle molecole di acqua tra

di loro, determinando un aumento del disordine ed una conseguente diminuizione dell’energia

libera, per cui il solvente si sposterà da aree con energia libera più alta ad aree con energia

libera più bassa fino all’equilibrio, quando due soluzioni si diranno isotoniche.

Si possono distinguere quindi due casi limite. Se una cellula si trova in una soluzione

ipertonica, allora la cellula tende a cedere acqua raggrinzendosi, se invece si trova in una

soluzione ipotonica, tende a riceve acqua fino a casi limite che possono portare alla lisi. Per

fari si che gli ambienti cellulari rimangano isotonici, le cellule utilizzano particolari meccanismi,

che, nel caso della cellula animale, è la pompa Na⁺/K⁺.

La diffusione facilitata.!

I processi di diffusione semplice e di osmosi però riguardano solo alcune sostanze. Se il

processo di diffusione è esoergonico, questa diffusione prenderà il nome di diffusione facilitata,

mediata da particolari proteine trasportatrici che prendono il nome di carrier o permeasi, o

canali ionici.

Le proteine trasportatrici sono proteine inglobate nella membrana cellulare, che

mediano questo tipo di diffusione, durante la quale il flusso netto delle molecole si verifica

secondo il grandiente di concentrazione della sostanza. Le permeasi, una volta legata la

molecola da trasportare, subiscono generalmente un cambiamento conformazionale che

permette il passaggio.

Modello particolarmente significativo che può essere preso in considerazione è

rappresentato dal trasportatore del glucosio, il GLUT1. Questa molecola presenta due siti di

legame per il glucosio, su entrami i lati della membrana cellulare. Dopo aver legato il glucosio,

la proteina subisce un cambiamento conformazionale per cui il glucosio sarà rilasciato

direttamente nel versante intracellulare. Nell’uomo sono state identificate 5 diverse isoforme

di GLUT.

I canali ionici si trovano sulle membrane di quasi tutti i tipi cellulari e sono alla base di

processi fondamentali come la trasmissione degli stimoli nervosi, la trasduzione del segnale o

la regolazione della pressione osmotica. Queste strutture possono trasportare solo ioni e

presentano una certa selettività, per cui a canali diversi corrispondono ioni diversi. Nella

maggior parte dei casi i canali sono controllati, e quindi possegono dei meccanismi di apertura

e chiusura (gating). Apertura o chiusura può essere mediata da recettori, da secondi

messaggeri, dal potenziale elettrico della membrana o da stimoli meccanici. Per quanto

riguarda l’esempio dei canali ionici per il K⁺, una piccola porzione, costituita da due strutture

ad alfa-elica quasi parallele, mostra proprietà selettive per cui è definita filtro di selezione. Gli

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 28

ioni di potassio interagiscono elettrostaticamente con le pareti del filtro, facendo si che queste

si aprano in caso di carica positiva forte e che si chiudano in caso di cariche piccole.

La velocità con cui avviene il trasporto facilitato può essere influenzata da altri soluti

coinvolti nel sistema, e che possono determinare inibizione o partecipare con effetto

cooperativo, a stimolare il trasporto. In generale però esiste una velocità massima di

trasferimento dovuta alla saturabilità della molecola, cioè al numero di molecole di carrier

presenti. L’effetto trans invece è dovuto dalla capacità di alcune sostanze di modulare il

passaggio.

Il Trasporto attivo.!

L’ambiente intracellulare ed extracellulare sono caratterizzati da una distribuzione

ineguale di specie ioniche quali Na⁺, K⁺, Ca²⁺ e H⁺. Questa diversa distribuzione è garantita e

mantenuta da un tipi di trasporto di membrana che, diversamente da quelli finora illustrati,

consente il movimento di ioni e molecole contro gradiente chimico ed elettrico, per cui viene

definito trasporto attivo. Questo tipo di trasporto è mediato da proteine intrinseche di

membrana, con caratteristica peculiare quella di poter legare ATP e provocarne l’idrolisi per

ottenere energia. Queste proteine prendono il nome di pompe ATP-dipendenti o ATPasi,

mentre il trasporto mediato da esse prende il nome di trasporto attivo diretto o primario.

Oltre questo tipo di trasporto, esiste il trasporto attivo secondario o indiretto, per il quale si

utilizza l’energia del gradiente elettrochimico prodotto precedentemente da un trasporto

attivo diretto.

Il trasporto attivo diretto dipende da quattro tipi di pompe ATPasi, definite: a)ATPasi

“P”;b)ATPasi “V”; c)ATPasi “F”;d)ATPasi “ABC”.

POMPE ATP DI TIPO “P”.!

ASI

Sono costituite da una subunità alfa ed una beta. La prima è in grado di legare ATP che

viene idrolizzato in presenza di Mg²⁺, in ADP e fosfato inorganico. Il fosfato viene poi trasferito

su uno specifico residuo di acido aspartico che fosforilla. Successivamente alla fosforilazione

della subunità alfa, sono indotti piccoli cambiamenti conformazionali, che consentono

dapprima il legame ad un versante della cellula e successivamente il rilascio sul fronte opposto.

Su questo principio si basa la pompa Na⁺/K⁺, la pompa Ca²⁺ e la pompa H⁺.

La pompa Na⁺/K⁺ è costituita anch’essa da due subunità, ed il trasporto mediato da

questa pompa prevede che per ogni tre ioni di sodio che vengono portati al di fuori della

cellula, due di potassio ne entrano, il tutto per ogni molecola di ATP idrolizzata. In questo

modo, questa pompa contribuisce alla diversa distribuzione delle cariche, e per questo motivo

viene definita pompa elettrogenica. Durante la fase iniziale, la pompa mostra all’interno della

cellula il sito di legame per i tre ioni di sodio. Il legame tra sodio e pompa induce l’ATP a

legarsi alla subunità alfa, dove subisce idrolisi mentre la subunità alfa subisce fosforilazione. Ciò

determina un cambiamento della conformazione della molecola che presenta adesso

l’esposizione extracellulare di siti con bassa affinità per il sodio che a questo punto si stacca

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 29

per dare spazio al potassio. Il legame con il potassio induce alla defosforilazione e dunque ad

un ulteriore cambiamento che porta la proteina allo stato iniziale e quindi al rilascio del

potassio in ambiente intracellulare. Tale pompa ha un’importanza vitale per la cellula in quanto

è responsabile del passaggio degli impulsi nervosi, ma è anche importante nel mantenimento

dell’omeostasi oltre che per essere fonte di energia per meccanismi di trasporto attivo

indiretto.

La pompa H⁺ è responsabile del trasporto controgradiente elettrochimico di ioni H⁺, e

consente di mantenere il pH citoplasmatico intorno ad un valore neutro. Il gradiente

elettrochimico che si genera grazie a questa pompa, viene utilizzato per trasporto attivo

indiretto. Essa è limitata ad alcuni tipi cellulari, tipo le cellule epiteliali parietali della mucosa

gastrica che, grazie a questo meccanismo riescono a far si che avvenga l’acidificazione

dell’acido gastrico. Il rapporto di trasporto sta 1:1 con il K⁺ ed il meccanismo è analogo alla

pompa sodio-potassio. La secrezione acida è infine mediata da segnali ormonali che stimolano

la produzione di istamina, la quale induce la fusione alla membrana cellulare delle vescicole

citoplasmatiche all’interno delle quali si trova la pompa H⁺.

La pompa Ca²⁺ si trova sia sulla membrana cellulare che sulla membrana del reticolo

endoplasmatico, e il suo ruolo è quello di regolare la presenza di calcio intracellulare e di

mantenerlo a livelli basi standardizzati, in quanto una presenza eccessiva di calcio intracellulare

potrebbe indurre a varie risposte. Il trasporto del Calcio avviene con un meccanismo molto

simile a quello della pompa sodio-potassio, con la differenza della presenza della calmodulina

alla subunità alfa, che lega il calcio e che fa si che questo sia espulso più velocemente.

POMPE ATP DI TIPO “V”, “F” E “ABC” E TRASPORTO ATTIVO INDIRETTO. !

ASI

Le pompe ATPasi V trasportano ioni H⁺ dal citoplasma al lume di lisosomi, endosomi e

vacuoli delle cellule vegetali, contribuendo a mantenere il pH del citoplasma. Esse sono

strutture complesse costituite da due domini. Diversamente dalle pompe di tipo P, queste

utilizzano l’energia derivata dall’idrolisi dell’ATP senza passaggi per fosforilazione. Sono state

identificate di queste pompe su osteoclasti, spermatozoi e cellule intercalari del rene.

Da un punto di vista strutturale le pompe V e le pompe F dei batteri sono molto simili

ma da un punto di vista funzionale, mentre nelle prime si utilizza l’energia dell’ATP per

pompare H⁺, le seconde utilizzano H⁺ per riportare l’ADP + P ad ATP.

Le pompe ATPasi ABC presentano 4 domini e vi appartiene la grande famiglia delle

permeasi. La prima pompa di questo tipo su cellula eucariotica è stata denominata multidrug-

resistance o P-glicoproteina, ed è stato sperimentato che una presenza di tale pompa

svillupata in cellule tumorali, fa si che queste cellule riescano a respingere i farmaci

chemioterapici.

Il trasporto attivo di zuccheri e amminoacidi come altre molecole organiche contro

grradiente, spesso è associato ad un cotrasporto di ioni sodio, per cui questo trasporto

prende i nome di trasporto attivo secondario.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 30

MECCANISMI DI SEGNALAZIONE CELLULARE. !

Negli organismi multicellulari le cellule comunicano tra di loro con un processo definito

segnalazione cellulare, indispensabile per regolare la formazione di tessuti e la loro struttura

tridimensionale. La segnalazione cellulare è un processo complesso che consiste nella

produzione e nel rilascio di segnali chimici ed elettrici che vengono veicolati sulle cellule

bersaglio, permettendo lo scambio di informazioni. Gli eventi di riconoscimento e contatto tra

due cellule dipendono dalla liberazione nell’ambiente di peptidi segnale solubili denominati

fattori di accoppiamento.

Le principali molecole responsabili dello scambio di informazioni tra le cellule sono

fattori solubili, alcuni di natura amminoacidica, altri di natura proteica e altri di natura lipidica.

Una particolarità è rappresentata dall’ossido di azoto, che controlla importanti processi come

lo stato contrattile della muscolatura liscia dei vasi, e quindi la pressione sanguigna. Questo

particolare fattore agisce nelle vicinanze del sito di produzione e questo particolare metodo

di segnalazione cellulare è definita segnalazione paracrina. Un caso particolare di questo tipo

di segnalazione è la comunicazione autocrina, in cui la molecola segnale solubile agisce sullo

stesso sito di produzione che l’ha prodotta. La segnalazione endocrina consiste invece nel

rilascio di fattori segnale nel torrente circolatorio, per cui riusciranno ad agire anche su cellule

bersaglio molto distanti. Infine esistono casi in cui le cellule comunicano tra di loro non

tramite fattori solubili ma tramite un vero e proprio contatto fisico. Questo tipo di segnale è

definito segnale di posizione e serve alla cellula per avere importanti informazioni anche sulla

sua posizione all’interno del tessuto in cui si trova.

Il segnale necessario per la comunicazione, una volta giunto alla molecola bersaglio

esercita la propria azione attraverso specifici recettori cellulari. Questi sono proteine che, a

seguito dell’interazione con la molecola segnale che prende il nome di ligando, funzionano

come interruttori cellulari, attivando o disattivando particolari vie metaboliche. Esiste una

selettività specifica di legame, per cui ne consegue la capacità di una cellula di rispondere a

determinati stimoli è definita dal corredo di recettori che una cellula possiede. Unica

eccezione alla regola è rappresentata dall’ossido di azoto, che non richiede recettori specifici

sulla cellula bersaglio, ma modifica direttamente l’attività di un enzima intracellulare che è la

GMPciclasi. Il recettore ed il suo ligando si riconoscono attraverso una specificità sterica ed

un’affinità di legame. La prima è assicurata dalla presenza nella struttura del ligando di una

regione complementare al recettore che è denominata sito di legame, mentre la seconda

definisce le concentrazioni di ligando necessarie per formare il complesso ligando-recettore,

cioè più è elevato il numero di legami che si stabiliscono tra recettore e ligando, maggiore è

l’affinità.

La maggior parte dei fattori di segnalazione non è in grado di passare direttamente

attraverso le membrane cellulari. Queste molecole devono trasdurre i loro segnali all’interno

della cellula senza entrarvi, e lo fanno grazie a particolari recettori localizzati sulla membrana

cellulare che sono definiti recettori di membrana. Questi sono proteine intrinseche di

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 31

membrana che attraversano il doppio strato fosfolipidico e sono generalmente organizzate in

un dominio extracellulare, in cui si trova il sito di legame, un dominio transmembrana ed

infine una regione interna. Esistono però molecole di natura idrofobica, come gli ormoni

steroidei, che si legano a particolari proteine trasportatrici per tutto il tratto del torrente

circolatorio, ma arrivate alla cellula segnale riescono ad entrarvi in modo spontaneo. L’ormone

però, pur entrando nel citoplasma, non riesce ad interagire se non con un recettore specifico.

I recettori intracellulari sono costituiti anch’essi da tre regioni diverse: una che attiva la

trascrizione, una che lega il DNA in sequenze specifiche ed una terza che lega l’ormone. In

condizioni di riposo il recettore si trova legato ad una molecola inibitrice che maschera il sito

legante il DNA.

I recettori agiscono quindi da interruttori molecolari in grado di attivare la produzione

di segnali chimici che modificano svariate funzioni cellulare. In seguito alla stretta interazione

tra ligando e recettore, quest’ultimo subisce un cambiamento conformazionale che induce

l’attivazione di enzimi specifici. La cellula quindi potrà accelerare la mobilizzazione del glucosio

dalle sue riserve attivando l’enzima (o gli enzimi) che innescano la catena di ossidazione di

questa molecola. La regolazione delle attività enzimatiche di attua tramite la modifica della

struttura terziaria dell’enzima stesso in modo reversibile. Ciò è possibile tramite vari

meccanismi, ma il più utilizzato è quello della fosforilazione, e gli amminoacidi fosforilabili sono

quelli che hanno un residue ossidrilico disponibile, cioè solo la serina, la treonina e la tirosina.

Aggiunta o rimozione del gruppo fosfato di una proteina causa una riorganizzazione della

struttura terziaria, ma è un evento transitorio, che viene terminato da particolari enzimi capaci

di staccare il gruppo fosfato dalla proteina. L’aggiutna di un gruppo fosfato è una modifica

covalente che richiede enrgia fornita da molecole di ATP, e gli enzimi che sono capaci di

mediare la fosforilazione sono denominati chinasi, mentre quelli che mediano la

defosforilazione sono detti fosfatasi. Oltra alla regolazione funzionale delle proteine tramite

fosfo o defosforilazione, esistono altre modalità come ad esempio la variazione di ioni calcio

all’interno dell’ambiente cellulare. Molte delle proteine che hanno la capacità di legare il calcio

sono denominate calmoduline; esse, non appena legato il calcio, sono in grado di interagire

con uno specifico enzima modificandone la funzione. Esempio della funzione regolatoria del

calcio può essere il processo di contrazione del muscolo scheletrico.

I recettori di membrana si classificano in 1)recettori che attivano le proteine G;

2)recettori con attività enzimatica;3) recettori che attivano i canali ionici. Mentre le prime due

classi rappresentano la stragrande maggioranza dei casi, i recettori che attivano canali ionici

sono coinvolti sopratturro nella comunicazione tra le cellule nervose dove il segnale

scambiato evoca risposte elettriche. Le prime due, inoltre, agiscono direttamente o

indirettamente, tramite l’attivazione di proteine G (proteine leganti il nucleotide GTP),

sull’attività di chinasi e fosfatasi. La maggior parte agiscono direttamente sul residuo

amminoacidico, mentre i recettori accoppiati a proteine G mediano la fosforilazione di serina

e treonina.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 32

I recettori che attivano le proteine G sono proteine di membrana multipasso a sette

domini transmembrana che, per trasdurre il segnale si legano in modo transitorio con le

proteine G. Queste ultime sono così chiamate perchè legano il nucleotide GTP, dal quale

ricavano energia, e sono formate da una subunità alfa, una beta ed una gamma. Le ultime due

ancorano il trimero al versante citoplasmatico della membrana plasmatica, mentre la subunità

alfa si presenta sotto due forme: legata al GDP se in forma inattiva o legata al GTP se in

forma attiva. La subunità alfa possiede l’importante attività GTPasica che le permette di

idrolizzare la GTP in GDP autoinattivandosi. Per questo motivo le proteine G possono

considerarsi come degli interruttori elettrici a tempo, che una volta attivati riescono a

disattivarsi da soli. Questa è una proprietà unica delle proteine G.

I sistemi recettoriali più conosciuti e più importanti sono quelli che portano

all’attivazione delle chinasi PKA e PKC, che sono attivate rispettivamente dal cAMP e dallo

ione calcio.

Il cAMP è prodotto dall’enzima adenilato ciclasi che, utilizzando come substrato un ATP,

idrolizza due fosfati in posizione beta e gamma, e ciclizza il fosfato in posizione alfa legato al

carbonio 5’ impegnandolo in un secondo legame con il carbonio 3’ dello stesso ribosio,

generando una struttura ciclica. Il cAMP si lega con l’enzima PKA che è formato da quattro

subunità, delle quali due hanno funzione regolatoria e sono capaci di legare il cAMP e due

possiedono attività catalitica chinasica. L’ingresso del cAMP nelle subunità regolative causa un

cambiamento di struttura e la dissociazione delle subunità cataliche che sono ora attive ed in

grado di fosforilare i substrati proteici. Un aumento di cAMP nella cellula provoca dunque

l’attivazione della PKA, ma l’aumento del cAMP richiede l’attivazione dell’adenilato ciclasi da

parte del recettore. Tuttavia quest’enzima è attivato tramite l’attivazione di un composto

intermedio che è la proteina G, e nel caso specifico la subunità alfa che entra in gioco prende

il nome di Gs. Gli eventi che si verificano sono dunque: 1)legame del ligando al recettore;

2)Ciò provoca un cambiamento nella conformazione interna del recettore che provoca

l’attivazione della Gs;3) La Gs provoca l’attivazione dell’adenilatociclasi che produce cAMP;4)

la cAMP agisce sulla PKA attivandola. Uno dei sistemi di segnalazione più conosciuti che si

basa su questo meccanismo è quello del glucagone, prodotto dal pancreas in risposta ad un

calo del glucosio. In particolare in questo caso la PKA attivata fosforila due tipi di enzimi: quelli

che inducono la glicogenolisi, che vengono attivati, e quelli che sono preposti alla sintesi di

glicogeno dal glucosio, che vengono disattivati. Oltre che dal glucagone cAMP e PKA sono

attivati da altri ormoni quale LH, ACTH e TSH.

Oltre alla PKA, un’altra chinasi coinvolta nelle risposte di segnalazione recettoriale è la

PKC, un’enzima complesso che lega gli ioni calcio e contemporaneamente anche una

molecole di diacilglicerolo o DAG. In questo caso il recettore attiva una proteina G, che in

questo caso è di tipo Gq, che a sua volta attiva una fosfolipasi Cbeta che ha come substrato il

fosfatidilinositolo, il quale può essere fosforilato in due posizioni, 4 e 5, e quindi si definisce

fosfatidilinositolo 4,5 bifosfato o PIP2. La fosfalipasi Cbeta taglia il legame tra il fosfato ed il

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 33

glicerolo del PIP2 liberando due molecole: il DAG e l’ IP3. DAG e IP3 hanno funzioni differenti:

mentre il secondo induce la liberazione di ioni calcio dai depositi del reticolo endoplasmatico

liscio, il DAG determina l’attivazione di PKC, che è un enzima formato da un dominio

regolatorio ed uno catalitico con attività serina-treonina chinasica. Le subunità regolatorie

sono delle calmoduline che, come visto in precedenza sono in grado di legare il calcio e

cambiare conformazione. Il distacco delle calmoduline permette dunque alle subunità

catalitiche del PKC di spostarsi nel citoplasma e di localizzarsi sulla faccia interna della

membrana citoplasmatica dove possono essere attivate dall’interazione con il DAG.

La produzione o il rilascio delle molecole che attivano PKA o PKC avviene in risposta ad

uno stimolo, e loro caratteristica è quella di amplificare il segnale recettoriale tramite

diffusione libera nel citoplasma o nel piano della membrana. Per queste proprietà, queste

molecole sono state definite secondi messaggeri, e la loro funzione di amplificazione del

segnale può essere considerata con un processo a cascata, per cui si determina ad ogni

passaggio, un aumento di molecole segnale che attivano un gran numero di enzimi

intracellulari e quindi una risposta efficace. L’amplificazione a livello della proteina G però sarà

data soltanto dal tempo di adesione delle molecole segnale con il recettore, in quanto le

proteine G, come già detto, hanno un tempo preciso in cui rimangono attive e dopodiché

vanno incontro ad autodisattivazione. L’adenilatociclasi, invece, una volta idrolizzata la molecola

di ATP, riesce a produrre migliaia di molecole di cAMP. Anche le chinasi PKA e PKC possono

fosforilare diverse molecole di enzimi bersaglio amplificando ulteriormente il segnale.

Altra classe di recettori di membrana è rappresentata dai recettori collegati ad enzimi, e

la classe più rilevante e più studiata è quella formata da recettori con attività tirosina chinasica.

Esse sono proteine integrali transmembrana monopasso, caratterizzate da un dominio

extracellulare capace di legare il ligando, una regione idrofobica transmembrana ed un

dominio citoplasmatico in cui è localizzata la regione responsabile dell’attività chinasica.

L’attivazione della chinasi avviene per cambiamento conformazionale in seguito al legame del

ligando con la porzione extracellulare del recettore. All’attivazione segue la fosforilazione in

tirosina del recettore stesso. Per l’attivazione è richiesta la formazione di dimeri recettoriali, in

modo tale che le due regioni chinasiche dei recettori siano abbastanza vicine da potersi

fosforilare a vicenda. Il ruolo della fosforilazione in tirosina fu spiegato intorno agli anni ’90,

quando si è scoperto che alcune proteine contengono uno specifico modulo proteico in

grado di legare tirosine fosforilate che prende il nome si SH2. Il recettore fosforilato può

inoltre legare con una serie di proteine differenti, ma il gruppo di proteine meglio conosciute

è rappresentato dalle proteine della cosiddetta via Ras/MAPK. In questo caso il recettore

fosforilato lega una particolare proteina che è la Grb-2, che funge da adattore molecolare e

lega a sua volta la proteina SOS. L’interazione di queste due porta all’attivazione di una terza

proteina che è la Ras, una proteina G con la particolarità di essere costituita da un’unica

subunità e facente quindi parte delle proteine G monomeriche, ma anch’essa regolata dal

legame GDP/GTP. La Ras interagisce con una serina/treonina chinasi che è la Raf, che attiva a

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 34

sua volte due chinasi in cascata che sono la MAPKK e la MAPK. L’attivazione di quest’ultima

causa la sua stessa traslocazione a livello del nucleo dove fosforila i suoi principali bersagli che

sono proteine deputate al controllo trascrizionale. Mentre nel caso dei recettori che attivano

le proteine G l’azione dei secondi messaggeri era fondamentale, in questo caso non lo è in

quanto questo meccanismo sarà utilizzato soprattutto per eventi di regolazione

dell’espressione genica che richiedono per l’appunto un piccolo numero di molecole attivate.

E’ opportuno illustrare anche il meccanismo attuato da una classe particolare di

recettori di membrana che attivano canali ionici alterando la polarità di membrana. Un caso

chiave è quello rappresentato dal recettore nicotinico dell’acetilcolina presente sulle cellule

muscolari, che è costituito da cinque subunità transmembrana che si associano a costituire un

cilindro cavo, che permette il passaggio di ioni di sodio. Due delle cinque subunità legano

l’acetilcolina che viene rilasciata, ed il legame con questa induce ad un cambiamento

conformazionale del recettore che ne provoca l’apertura e quindi l’ingresso di ioni di sodio,

causando la depolarizzazione elettrica della membrana cellulare (in questo caso la membrana

muscolare) che a sua volta induce l’apertura di un altro tipo di canali sodio inducendo la

propagazione dell’impulso elettrico sulla membrana fino a raggiungere i tubuli T, particolari

strutture della membrana della cellula muscolare che si insinuano nelle prossimità del reticolo

sarcoplasmatico inducendo il rilascio del calcio.

La risposta recettoriale, una volta innescata ed attuata, raggiungerà un momento in cui

viene spenta. Ciò è determinato anche dal fatto che uno degli elementi della cascata

recettoriale è la proteina G, che come accennato in precedenza, funziona da recettore a

tempo. Ciò permette di interrompere la risposta cellulare non appena cessa il segnale

ormonale. Tale proprietà non è presente nelle altre molecole. Ad esempio la PKA non è in

grado di disattivarsi se non nel caso in cui i livelli di cAMP tornino al livello iniziale, ma ciò può

avvenire solo nel caso in cui il cAMP precedentemente prodotto sia degradato da un

particolare enzima, il cAMP fosfodiesterasi. Stessa cosa avviene nel caso della glicogeno

fosforilasi chinasi attivata dalla PKA, la cui defosforilazione deve avvenire ad opera di una

fosfatasi specifica. Altro meccanismo per poter arrestare la risposta cellulare è la temporanea

desensibilizzazione del recettore che avviene tramite l’endocitosi del recettore, dopo essere

stato attivato, da parte di una vescicola di endocitosi che si fonde con i lisosomi. Fatto ciò il

recettore sarà riciclato, mentre il ligando sarà digerito dal lisosoma. Ma la desensibilizzazione

può avvenire anche grazie all’intervento di una proteina inibitrice che si lega al dominio

citoplasmatico del recettore interrompendo il segnale, oppure più a valle può legarsi ad una

proteina di segnalazione, o ancora la proteina di segnalazione potrebbe attivare una proteina

inibitrice.

MECCANISMI E VIE DI SMISTAMENTO DI MOLECOLE.!

La cellula eucariotica è organizzata in compartimenti delimitati da membrane, che

costituiscono gli organuli. Ognuno di essi è dotato di funzioni specializzate conferite da un

corredo di proteine e molecole che lo caratterizzano. Questa organizzazione omporta lo

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 35

smistamento delle proteine sintetizzate dai ribosomi liberi nel citosol alla loro destinazione

finale nei singoli organelli. La maggior parte delle proteine cellulari è sintetizzata dai ribosomi

presenti nel citosol ad eccezione di una piccola quantità (circa il 30 %) sintetizzata all’interno

di mitocondri e cloroplasti. Il meccanismo utilizzato per smistare le proteine nei vari

compartimeni di una cellula eucariotica è basato in linea generale sulla presenza di segnali di

indirizzamento presenti sulla proteina stessa, che solitamente sono delle sequenze

amminoacidiche riconosciute da specifiche strutture molecolari. Ognuna di queste sequenze

può varare molto tra le diverse proteine sintetizzate nei ribosomi, e la presenza di una di

queste è necessaria e sufficiente per indirizzare la proteina ad un organulo specifico.

L’attraversamento della membrana dell’organulo da parte delle proteine è il vero

problema, dato dalle dimensioni molecolari e dalla incompatibilità idrofobica della proteina.

Questo problema viene risolto differentemente per ognuno degli organuli.

Nel caso di mitocondri, cloroplasti, reticolo endoplasmatico vi sono dei traslocatori

proteici, che permettono e controllano il transito della proteina all’interno dell’organulo,

richiedendo dispendio di energia.

Nel caso del nucleo, i pori nucleari rappresentano dei valichi selettivi dotati di un

apparato macromolecolare che opera il trasferimento bidirezionale di proteine ed altre

macromolecole dall’esterno all’interno del nucleo e viceversa.

Nel caso del Golgi e dei lisosomi esiste un sistema di trasporto vescicolare.

L’involucro nucleare consta di una doppia membrana attraverso la quale transitano

numerose macromolecole che viaggiano in entrambe le direzioni, grazie alla presenza dei pori

nucleari, un complesso multimolecolare costituito da un centinaio di proteine differenti,

organizzate in una serie di subunità disposte o lungo la circonferenza o nel lume centrale del

poro, ed è proprio questo complesso il responsabile del transito delle macromolecole a livello

del nucleo. Alcune molecole di piccole dimensioni passano liberamente, ma molecole di

dimensioni superiori vengono riconosciute solo se presentano una sequenza di localizzazione

nucleare (NLS), costituita da brevi sequenze amminoacidiche. Una proteina dotata di tale

sequenza transita attraverso il poro senza modificare la propria organizzazione strutturale. Le

sequenze NLS sono legate da particolari recettori definiti di importazione nucleare capaci di

riconoscere allo stesso tempo le nucleoporine e di traslocare fisicamente all’interno del

nucleo l’intero complesso proteico. Questo processo è mediato da una particolare proteina

G che è la Ran, che oscillando tra uno stato di legame con GDP e GTP, quindi di attività e di

inattività, permette il passaggio fuori e dentro il nucleo. Il processo di esportazione nucleare,

che interessa ad esempio le proteine che regolano la trascrizione genica, funziona con

meccanismi e caratteristiche molto simili a quelle dell’ingresso. Esistono infatti sequenze di

esportazione nucleare (NES) riconosciute dai recettori di esportazione appartenenti alla

stessa famiglia genica dei recettori di importazione.

Per quanto riguarda i mitocondri, il DNA mitocondriale riesce a codificare per circa il

30 % delle proteine mitocondriali, mentre il restante 70 % è codificato dai geni nucleari.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 36

Queste proteine vengono quindi sintetizzate nel citosol sotto forma di precursori delle

proteine mature, che presentano una sequenza di indirizzamento ai mitocondri, che verrà

rimossa solo all’interno del mitocondrio da un enzima proteolitico che è la peptidasi del

segnale. Il trasferimento delle proteine all’interno dei mitocondri dev’essere inoltre mediato

dalla presenza di traslocatori proteici, il cui compito è facilitato dalla presenza di alcuni

accollamenti della membrana interna ed esterna in alcune regioni del mitocondrio. Questi

traslocatori sono noti come complessi TOM e TIM. Inoltre ogni proteina, è indispensabile che

mantenga una conformazione più lineare possibile prima di entrare all’interno del mitocondrio

e ciò è possibile grazie alla presenza di molecole definite chaperon appartenenti alla famiglia

delle Hsp70 citosoliche, che tra l’altro favorisce il legame al complesso TOM.

Il reticolo endoplasmatico è il compartimento membranoso più esteso della cellula, ed

al suo interno vengono inserite sia le sue proteine transmembrana, sia quelle appartenenti alle

membrane del Golgi e dei lisosomi e alla membrana plasmatica. Il RE appare caratterizzato da

un aspetto rugoso se vi è la presenza di ribosomi legati alla sua membrana, o liscio in assenza

di questi, ma, più che identificare due organuli diversi, la presenza di ribosomi sembra indicare

lo stesso organulo in momenti funzionali diversi. I ribosomi, si legano infatti alla membrana nel

momento in cui sintetizzano proteine ad esso indirizzate. Le sequenze di indirizzamento al RE

sono riconosciute con il complesso definito NAC, che ha il compito di proteggerle da altre

possibili interazioni, e da un complesso ribonucleoproteico noto come particella SRP,

costituito da una molecola di RNA a basso peso molecolare associata a sei proteine differenti.

Essa si lega a sua volta ad un recettore presente sulla membrana del RE. La prima parte della

proteina che viene sintetizzata per il RE presenta sempre la sequenza di indirizzamento

nell’estremità ammino-terminale. Durante questa fase il ribosoma è ancora libero nel citosol, e

la sequenza di indirizzamento appena sintetizzata può essere legata dalla particella SRP e da

NAC e nel frattempo la sintesi della proteina è sospesa. Una volta che il ribosoma è arrivato

alla membrana del RE, la particella SRP ed il suo recettore si separano dal ribosoma che si

ancora che si ancora al traslocatore proteico Sec61, che permette il passaggio della proteina

in fase di sintesi attraverso la membrana. L’allontanamento sell’SRP dal ribosoma permette il

ripristino della sintesi proteica che così potrà procedere nel suo inserimento nel lume del RE.

Non appena entrata, la sequenza di indirizzamento viene tagliata da una peptidasi del segnale

e la traduzione della proteina continua. Non appena terminata, la proteina sarà interamente

all’interno del lume del RE. Questo processo prende il nome di traslocazione co-traduzionale,

mentre quella che accadeva per il mitocondrio viene definita traslocazione post-traduzionale.

Percorso analogo è quello seguito dalle proteine destinate alla membrana come proteine

transmembrana, che però portano in aggiunta un’ulteriore sequenza di indirizzamento,

solitamente localizzata in un tratto interno e che consta di 20-25 amminoacidi di natura

idrofobica, che conferisce loro la capacità di ancorarsi in posizione idrofobica del doppio

foglietto lipidico. Arrivati alla sintesi del tratto di amminoacidi idrofobici però il complesso

traslocatore si disassembla e rilascia nel doppio strato lipidico la sequenza idrofobica. Per

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 37

questo motivo il tratto idrofobico è anche definito come sequenza di arresto del

trasferimento.

Meccanismo leggermente diverso è utilizzato per le proteine multipasso, che contengono uno

o più tratti idrofobici all’interno della loro sequenza primaria, ed in questo caso le proteine

contengono diverse sequenze alternate di inizio e di arresto del trasferimento, ed inoltre le

sequenze di inizio rimangono intrappolate all’interno del doppio strato lipidico e non vengono

quindi rimosse. Tutte le proteine transmembrana presenti nel Golgi, nella membrana

plasmatica e nei lisosomi, seguono la via che inizia nel RE e prosegue nei compartimenti grazie

a vescicole di trasferimento. La maggior parte delle proteine inserite nelle membrane del RE

viene modificata con l’attacco covalente di una o più catene oligosaccaridiche. Le proteine cui

sono attaccate queste catene sono le glicoproteine. Queste catene vengono preassemblate

sottoforma di precursori legati ad un fosfolipide particolare che è il dolicolo.

Le proteine una volta sintetizzate e modificate, assumono la loro struttura

tridimensionale corretta e in alcuni casi si assemblano in strutture quaternarie mature. Il

ripiegamento delle proteine nel RE è comunque un processo attivo e controllato. Questo

processo coinvolge una serie di proteine chaperon che catalizzano il ripiegamento della

struttura secondaria e terziaria. Le proteine che non riescono ad assumere la conformazione

matura vengono espulse dal Sec61 e una volta in ambiente citoplasmatico vengono degradate

dal proteosoma. Nel caso di accumulo di proteine misfolded, la risposta, che viene definita

URP, porta alla sintesi coordinata di proteine e chaperonine di residenza reticolare. Tale via

prevede l’attivazione di un sensore transmembrana, la proteina chinasi IRE1 che viene attivato

dalle proteine non ripiegate correttamente. L’attivazione del sensore procede con la

maturazione di un premRNA che codifica per un fattore di trascrizione di proteine

chaperone che è il Xbp1.

Lo smistamento delle proteine sintetizzate nel RE negli altri organuli è mediata da

vescicole di trasferimento, la cui formazione è indotta dai geni clatrina, COPI e COPII che

catalizzano la formazione di vescicole rispettivamente dalla membrana plasmatica, dal Golgi e

dal RE. La clatrina è una proteina costituita da catene, tre pesanti e tre leggere, disposte a

formare una struttura a tre bracci denominata triskelion, che è capace di polimerizzare e

generare strutture geometriche esagonali disposte in modo da formare una sorta di gabbia

sferica. In questo processo di polimerizzazione la clatrina è associata strettamente alla

membrana, tramite le adattine, che a loro volta legano con la membrana plasmatica ad un

recettore capace di selezionare le molecole cargo da includere nella vescicola. La vescicola

quindi si stacca dalla membrana grazie alla dinamina, che si organizza a formare un anello al

collo della vescicola, e inducendo il distacco. In questo modo si formano le cosiddette

vescicole rivestite di clatrina. L’ultima fase consiste nel riconoscimento dell’organulo bersaglio

da parte della vescicola e la fusione delle due membrane con il rilascio della proteina nel

compartimento di destinazione. Ciò è controllato dalle SNARE e dalle GTPasi Rab. Le prime

sono una classe di proteine fibrose ancorate alle membrane e capaci di un processo di

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 38

riconoscimento reciproco. Le v-SNARE sono presenti sulla membrana delle vescicole, mentre

le t-SNARE sono presenti sulle membrane degli organuli bersaglio. Quando una v-SNARE si

lega alla sua t-SNARE complementare, le porzioni ad alfa elica delle due proteine

interagiscono tra di loro formando una proteina superavvolta, ed il complesso formatosi

trattiene la vescicola sulla membrana bersaglio.

Esistono dei segnali di indirizzamento specifici per ogni compartimento e, di questi

meccanismi, uno dei più conosciuti è quello rappresentato dall’indirizzamento ai lisosomi. Le

proteine dei lisosomi raggiungono questo compartimento entrando inizialmente nel RE,

successivamente giungono al Golgi, dove vengono etichettate per l’indirizzamento ai lisosomi,

con un meccanismo particolare, basato sulla loro glicosilazione con un residuo di mannosio

fosforilato in posizione 6, e questa modificazione avviene per riconoscimento delle idrolasi

acide del lisosoma, che è permesso a sua volta dalla presenza di una sequenza che serve da

indirizzamento. La proteina viene infine riconosciuta da un recettore grazie alla presenza dello

zucchero modificato e, lo stesso recettore cattura queste proteine e le concentra nelle

vescicole che emergono dal Golgi, e lega anche le adattine che agiscono con la clatrina nella

formazione delle vescicole. Il mancato funzionamento degli enzimi che catalizzano il

trasferimento del mannosio-6-fosfato sulle idrolasi acide porta alla rara patologia nota come

malattia da inclusioni cellulari, che porta ad un difetto nella digestione che provoca la

formazione delle inclusioni cellulari.

Il processo di endocitosi. !

Il processo di endocitosi viene solitamente distinto nella fagocitosi e nella pinocitosi, che

si differenziano per la dimensione del materiale introdotto e per i differenti meccanismi

molecolari.

La fagocitosi consiste nell’introduzione all’interno della cellula di grosse particelle. Tutte

le cellule sono in grado di fagocitare anche se ne esistono alcuni tipi che sono specializzati in

questa funzione, come macrofagi e granulociti. Le particelle, in contatto con la cellula, vengonp

avvolte da protrusioni della membrana plasmatica che si estendono fino ad inglobarle

completamente, formando così vescicole endocitotiche che si fondono con i lisosomi.

L’interazione della particella con la superficie cellulare è spesso mediata da molecole

specifiche, che nel caso del batterio è uno specifico recettore detto del frammento Fc delle

immunoglobuline.

La pinocitosi è un processo che introduce fluidi e soluti tramite piccole vescicole con

diametro di 150 nm o inferiore. Le vescicole di pinocitosi si formano per polimerizzazione a

livello della membrana plasmatica del rivestimento di clatrina che porta alla formazione di una

vescicola rivestita. L’assunzione di metaboliti tramite pinocitosi è anche conosciuta come

endocitosi mediata da recettore, in quanto il metabolita viene riconosciuto da uno specifico

recettore sulla membrana cellulare e successivamente fagocitato. Esempio molto studiato è

quello del colesterolo, che viene assunto per via alimentare e trasportato nel sangue

sottoforma di particelle a bassa densità (LDL) e viene riconosciuto da un recettore

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 39

concentrato in zone specifiche. All’interno della cellula, la vescicola perde il suo rivestimento e

viene fagocitata dagli endosomi, dove l’ambiente acido induce la dissociazione del complesso

LDL. Alterazioni a questo meccanismo determinano aumento dei livelli ematici di colesterolo,

che può accumularsi ai lati dei vasi sanguigni e, talvolta, portare all’occlusione del vaso.

MECCANISMI DI ADESIONE CELLULARE. !

Tutte le cellule degli organismi animali si interconnettono strettamente, nella

maggioranza dei casi, organizzandosi in tessuti ed in organi specializzati. Inoltre quasi tutte le

cellule secernono all’esterno molecole con caratteristiche comuni e consistono in molecole

fibrose flessibili immerse in una matrice idratata amorfa di glicoproteine e polisaccaridi

ramificati. Questa struttura è definita matrice extracellulare. Le cellule che assumono funzioni

specializzate si organizzano in tessuti distinti, e questi in organi.

L’integrità degli organismi multicellulari dipende dalla capacità delle cellule di associarsi in

strutture specifiche formando tessuti ed organi. Queste interazioni richiedono che le singole

cellule siano in grado di riconoscersi ed è stato provato che cellule provenienti dallo stesso

tessuto sono capaci di riconoscersi e di stabilire interazioni che permettono la formazione di

aggregati. La capacità di riconoscimento ed aggregazione cellulare dipendono dall’interazione

tra proteine specifiche, poste sulla membrana, che prendono il nome di recettori adesivi. A

seconda delle caratteristiche di questi recettori, possiamo distinguere tre tipi di interazione tra

le cellule:

a. Interazione omofilica, che consiste nel legame tra un recettore di una cellula con

uno identico della cellula adiacente;

b. Interazione eterofilica, che consiste nel legame tra recettori di tipo diverso;

c. Interazione mediata da una molecola bifunzionale che fa da ponte.

I recettori adesivi invece si raggruppano in due superfamiglie con struttura e proprietà distinte:

le caderine e le CAM. Le prime per funzionare richiedono la presenza di ioni calcio, al

contrario delle seconde, e mediano i rapporti cellula-cellula di tipo omofilici. Esse sono

glicoproteine transmembrana caratterizzate dalla presenza, nel dominio extracellulare, di

cinque moduli stabilizzati dal legame con gli ioni calcio. Quest’ultimo è richiesto per l’integrità

dei tessuti perchè modifica la conformazione delle caderine, permettendo loro la funzione

adesiva. La porzione citoplasmatica delle caderine è fondamentale nella loro funzione adesiva,

perchè in questa porzione si associano, grazie alle proteine alfa,beta e gamma catenine, al

citoscheletro della cellula, trasferendo così forza meccanica all’adesione. Le CAM, invece, sono

molecole della famiglia delle immunoglobuline, e costituiscono la seconda famiglia dei recettori

adesivi, che non hanno bisogno, per attivare la propria funzione, di ioni calcio. Inoltre, mentre

le caderine possono dare origine a giunzioni specializzate, le CAM non si organizzano in

giunzioni specializzate, ma mediano contanni non giunzionali diffusi sulla membrana.

Le associazioni delle cellule nei tessuti richiedono modificazioni specializzate delle

membrane nel punto in cui le cellule vengono in contatto, e queste strutture prendono il

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 40

nome di giunzioni cellulari che, nelle cellule animali, sono comunemente di tre tipi: giunzioni

occludenti o strette, giunzioni adesive e giunzioni comunicanti.

Le giunzioni occludenti non lasciano spazio tra le membrane e percorrono l’intero

perimetro di cellule adiacenti formando un sigillo continuo che si estende sull’intera superficie

del tessuto che riveste la cavità o la superficie di un organo. In questi punti le membrane

plasmatiche delle due cellule adiacenti sono in stretto contatto in modo da impedire il

transito di molecole nello spazio intercellulare. Queste giunzioni sono dunque impermeabili e

l’unica modalità di scambio possibile risulta quella mediata da proteine di trasporto. Queste

giunzioni sono di particolare rilievo nell’epitelio intestinale, dove formano una barriera che

previene la diffusione incontrollata di fluidi dal lume dell’intestino ai tessuti sottostanti. Sono

inoltre indispensabili nelle cellule dei dotti ghiandolari che connettono il fegato ed il pancreas

all’intestino, ma anche nell’apparato urinario dove impediscono all’urina accumulata di

diffondere tra le cellule. Ogni giunzione occludente è formata da una serie di filamenti

intrecciati, ciascuno dei quali è costituito da una serie di proteine giunzionali transmembrana

allineate strettamente tra di loro, che sono claudine e occludine, che prendono contatto

strettamente tra di loro, senza lasciare spazi intercellulari.

Le giunzioni adesive legano il citoscheletro di una cellula a quello della cellula adiacente

o alla matrice extracellulare che circonda la cellula. Tali giunzioni sono comuni nei tessuti

animali e di questo tipo di giunzioni fanno parte giunzioni aderenti, desmosomi ed

emidesmosomi.

La giunzione aderente percorre l’intera circonferenza della cellula, nel caso del tessuto

epiteliale, ed ha una morfologia caratteristica che al microscopio ottico appare come una

fascia di adesione che è denominata giunzione a cintura. In questa zona le due membrane

sono mantenute accostate dal legame omofilico tra le molecole di caderina.

I desmosomi sono punti di contatto non continui tra le cellule, distribuiti sulla superficie

cellulare come piccole aree circolari di adesione stabile. L’organizzazione tridimensionale è

molto complessa e le principali proteine sono le caderine. Le membrane plasmatiche di due

cellule adiacenti risultano separate da una spazio limitato definito cuore del desmosoma,

mentre sul versante citoplasmatico subito al di sotto della membrana di ciascuna cellula è

presente una placca spessa e densa. Il cuore del desmosoma contiene le regioni extracellulari

delle desmocolline e desmogleine, che sono le caderine tipiche dei desmosomi, la cui attività

adesiva dipende dalla presenza di ioni calcio.

Altro tipo di giunzione con funzione adesiva, presente negli epiteli di rivestimento, è

l’emidesmosoma, che è una struttura simile al desmosoma ma che collega ogni cellula alla

sottile lamina basale che vi sta sotto, e che fa da supporto meccanico agli epiteli. Le principali

proteine adesive sono in questo caso le integrine.

Tutte le giunzioni adesive hanno la proprietà di scaricare anche sulle cellule vicine a dove

avviene il contatto con l’esterno ammortizzando così un eventuale urto.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 41

Le giunzioni comunicanti sono regioni dove le membrane sono molto vicine e che

mettono in contatto due cellule adiacenti permettendo lo scambio di ioni e di piccole

molecole. Queste giunzioni sono particolarmente abbondanti in tessuti come il tessuto

nervoso o il tessuto muscolare (soprattutto in quello cardiaco). Esse sono costituite da una

particolare struttura, il connessone, formata da proteine transmembrana collegate tra di loro

a formare una cavità delimitata che mette in contatto le due cellule. Queste proteine sono le

connessine, ed ogni connessone è formato da sei subunità di essa. Nella giunzione, due

connessoni di due cellule vicine sono accoppiati in modalità testa-testa in modo tale da creare

un cilindro cavo continuo. E’ stato considerato che la permeabilità della giunzione comunicante

varia in funzione della concentrazione di calcio citoplasmatico, e risulta quindi evidente che le

cellule possano controllare il grado di comunicazione. Le giunzioni comunicanti tendono ad

essere aperte quando il calcio si mantiene a concentrazioni basse, mentre chiuse nel caso

opposto. E’ da specificare che apertura e chiusura non avvengono con la modalità del tutto o

niente, ma in modo graduale. La permeabilità di tali giunzioni può inoltre variare al variare del

potenziale di membrana o del pH intracellulare.

Quando le cellule si organizzanoin tessuti, oltre a riconoscersi e a stabilire connessioni

dirette tra loro, ancorano ad un substrato comune che permette un’ulteriore stabilizzazione

dell’aggragato tissutale. Esempio più semplice di tale comportamento è dato dagli epiteli

monostratificati dell’apparato digerente e respiratorio, il cui strato di cellule poggia su una

lamina basale formata dalla matrice extracellulare. Le macromolecole che formano la matrice

sono normalmente prodotte dalle stesse cellule che vi sono immerse, e le principali proteine

sono di tipo fibroso, con funzione strutturale come i collageni o l’elastina, funzione adesiva,

come la fibronectina. Anche i proteoglicani sono componente fondamentale della matrice.

I collegeni sono una grande famiglia di proteine che svolgono una funzione

fondamentalmente strutturale. Sono molto abbondanti negli animali ed in particolare nei

tessuti di sostegno, e sono organizzati in una triplice elica formata da tre catene polipeptidiche

caratterizzate da un elevato contenuto di prolina e glicina, che insieme ad un terzo

amminoacido interagiscono tra di loro in modo stabile formando strutture sovramolecolari

che sono le fibrille. Il collagene è in gran parte responsabile ed il collagene di tipo I e di tipo II

sono due dei più presenti tra i collageni conosciuti. La struttura in filamenti rigidi dei filamenti

di collagene non è però adatta alle caratteristiche di elasticità e flessibilità di alcuni tessuti, e

l’elasticità viene dunque fornita, nei tessuti in cui è necessaria, da fibre elastiche estendibili che

possono allungarsi per poi ritornare alla lunghezza normale quando cessa la tensione. Il

costituente principale delle fibre elastiche è l’elastina, ricca anch’essa di prolina e glicina. Le

molecole di elastina si associano in un reticolato con legami covalenti crociati, capace di

cambiare morfologia in base allo stato fisico cui è posto il tessuto.

La sostanza idratata in cui sono immerse le fibre, collagene e di elastina, è costituita

prevalentemente da proteoglicani, che sono delle glicoproteine che legano in modo covalente

un elevato numero di catene di glicosaminoglicani. I glicosaminoglicani sono lunghi polimeri

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 42

dotati di carica negativa formati dal concatenamento di migliaia di dimeri saccaridici. La

maggior parte di essi si trova legata in modo covalente a proteine specifiche formando i

proteoglicani.

In aggiunta a collageni e proteoglicani, la matrice extracellulare contiene un certo

numero di proteine adesive che sono in grado di mediare l’interazione tra le cellule. Tra

queste le più importanti sono la fibronectina e la laminina. La fibronectina è una proteina

fibrosa costituita da due catene polipeptidiche legate ad un ponte disolfuro all’estremità

carbossi-terminale. Alcune regioni globulari di questa molecola hanno la proprietà di interagire

con altri componenti della matrice extracellulare come diversi tipi di collagene, ma anche

eparina e la proteina di coagulazione che è la fibrina. Altre regioni sono invece capaci di legare

i recettori sulla membrana cellulare. In pratica questa molecola quindi funge da ponte

ancorando le cellule alla matrice extracellulare e, poichè l’organizzazione e l’orientamento del

citoscheletro sono fondamentali nel determinare la forma della cellula, si ritiene che la

fibronectina sia essenziale per il mantenimento di tale forma. La laminina è una glicoproteina

di grandi dimensioni costituita da tre lunghe catene peptidiche che prendono il nome di

catene alfa, beta1 e beta2, che sono avvolte in una struttura a croce latina stabilizzata da ponti

disolfuro. Anche queste molecole sono capaci di legare diversi elementi della matrice ed un

recettore presente sulla membrana cellulare. Queste proprietà fanno si che questa molecola

funga da ponte tra cellule e lamina basale. Inoltre queste molecole possono legarsi con la

proteina entactina per rinvigorire il legame.

Le cellule si ancorano alla matrice extracellulare per mezzo di particolari recettori noti

come integrine, che sono dimeri costituiti da una subunità alfa ed una beta, che sono

entrambe proteine monopasso di membrana. Attualmente sono conosciute 16 subunità alfa e

8 beta, che in totale possono raggrupparsi in 22 differenti integrine, ognuna delle quali è

capace di legare una diversa proteina della matrice. Solitamente le integrine si legano alle

laminine, ad eccezione dell’integrina alfa5beta1 che si lega alla sequenza RGD della

fibronectina. La porzione delle integrine sul lato citoplasmatico, invece, si connette alle

molecole del citoscheletro della cellula ai filamenti contrattili di actina. Nelle cellule coltivate in

vitro, le integrine si distribuiscono sulla membrana ventrale distribuendosi in zone definite

contatti focali, dove la membrana è a stretto contatto con la superficie della piastra di coltura.

All’interno del citoplasma, a livello dei contatti focali conflusicono i cavi acto-miosinici che si

ancorano alle integrine per mezzo di proteine come la talina, la vinculina, la paxillina, la tensina

e l’alfa-actinina. Il ruolo fondamentale delle integrine è dunque quello di collegare la matrice

extracellulare con il citoscheletro e, grazie a questa interazione, la matrice extracellulare

influenza il citoscheletro, così come avviene viceversa. In questo modo, le sollecitazioni

meccaniche esterne cui è sottoposta la cellula nell’ambito di un tessuto, possono modificare la

struttura intracellulare in modo tale che sia fornita adeguata resistenza.

I recettori adesivi hanno anche una funzione cruciale nel regolare i processi

differenziativi e proliferativi della cellula. I recettori adesivi, infatti, funzionano da interruttori

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 43

capaci di attivare circuiti di reazioni intercellulari. L’attività delle integrine è fondamentale per

l’organizzazione dei filamenti di actina durante l’adesione e la migrazione cellulare. In

particolare le integrine sono capaci di attivare, nel citoplasma, una cascata di eventi che vede

impegnate le chinasi MAP che inducono la trascrizione, nel nucleo, dei geni delle cicline D ed

A, necessarie per la transizione nel ciclo cellulare dalla fase di G1 alla fase S. L’induzione delle

cicline D ed A richiede l’azione combinata dei fattori di crescita e dell’adesione delle cellule

alla matrice extracellulare. La proliferazione cellulare, quindi, è controllata dalla combinazione

di almeno due segnali che sono da una parte i fattori solubili quali fattori di crescita e

citochine, e dall’altra i fattori insolubili della matrice extracellulare e ad azione strettamente

locale che sono la fibronectina, la laminina ed i collageni. Questo doppio meccanismo di

controllo fa si che la cellula risponda a stimoli proliferativi soltanto quando si trova nel

corretto contesto tissutale. L’importanza di tale controllo sottolinea la differenza con le cellule

tumorali che riescono a proliferare anche in assenza di adesione ad una matrice extracellulare

specifica grazie ad una proprietà nota come proliferazione indipendente da ancoraggio che dà

vita alle conosciute metastasi. L’indipendenza della proliferazione della cellula tumorale dall’

adesione alla matrice è dovuta a mutazioni genetiche dominanti che portano ad un’attivazione

costitutiva di recettori dei fattori di crescita o delle proteine citoplasmatiche che trasmettono

il segnale mitogenico all’interno della cellula, attivando in modo particolare le chinasi MAP e

quindi le cicline. Anche le caderine sono capaci di generare segnali intracellulari in risposta

all’adesione. In particolare si parla della beta-catenina che oltre a svolgere funzioni di

collegamento tra citoscheletro e membrana plasmatica, potrebbe legare un fattore

trascrizionale che è il LEF-1, il quale la porta a migrare verso il nucleo, dove insieme possono

agire regolando l’espressione genica. Il legame tra le cellule favorisce l’associazione della beta-

catenina alla caderina, che quindi ne inibisce il legame con il fattore LEF-1. I livelli di beta-

catenina intracitoplasmatici sono inoltre legati ad un recettore che è il Wnt1, che gioca un

ruolo fondamentale sia durante il periodo embrionale, che nella tumorigenesi, producendo un

effetto opposto all’inibizione della beta-catenina prodotta dal legame cellula-cellula.

! I VIRUS:CARATTERISTICHE GENERALI.!

I virus rappresentano una delle forme di aggregazione molecolari più semplici presenti

in natura e la loro dimensione può variare da un minimo di 10 nm ad un massimo di 250-300

nm. Essi sono strutture biologiche incapaci di replicazione autonoma, per la quale necessitano

della presenza di una cellula ospite. Per questo motivo possono essere definiti come parassiti

endocellulari obbligati.

In generale la loro struttura virale è formata da un solo acido nucleico, che può essere

RNA o DNA, a singolo o a doppio filamento, che rappresenta il materiale genetico virale e da

un involucro proteico che è costituito da un solo a da pochi tipi di proteine in copie multiple,

che costituisce il capside, tipico dei cosiddetti naked virus, o virus nudi. L’insieme di materiale

genetico e capside forma un nucleocapside o virione o particella virale. Molti virus però

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 44

presentano anche un involucro esterno che è definito pericapside e che solitamente è

costituito da un doppio strato fosfolipidico di origine della cellula ospitante e da molecole

glicoproteiche codificate dal genoma virale che prendono il nome di docking proteins e che

sono necessarie per l’interazione del virus con la cellula da infettare, in quanto, durante il

legame ad i recettori di membrana delle cellule, le proteine del virus mimano i ligandi

fisiologici dei recettori stessi. Spesso i singoli monomeri delle glicoproteine virali si associano a

formare delle spikes o spine che hanno il compito di rendere più stabile l’attaccamento del

virus alla cellula ospite e rappresentano i principali antigeni dei virus dotati di secondo

rivestimento.

Tutti i virus batterici, o batteriofagi o semplicemente fagi hanno una struttura che è

caratterizzata da una testa, di forma icosaedrica o filamentosa con dimensione variabile, che

racchiude l’acido nucleico. La maggior parte dei fagi presenta inoltre una coda, di varie

dimensioni, costituita da un cilindro proteico cavo, attraverso il quale viene trasferito l’acido

nucleico alla cellula ospite. Alcuni fagi più evoluti, come ad esempio il fago T4, presentano la

coda circondata da una guaina contrattile che prende il nome di guaina contrattile, che è

separata dalla testa tramite un collo e che presenta all’estremità una piastra basale, cui sono

collegate le proteine spikes e delle fibre con collegate proteine per l’attacco ai recettori

batterici.

Tutti i virus possiedono sulla loro superficie proteine dette proteine di attacco, che sono

capaci di legare in maniera specifica siti recettoriali appropriati presenti sulla superficie di una

cellula ospite. Tale interazione determina la specificità del virus, e la gamma di ospiti di un virus

è pertanto correlata dalla distribuzione di recettori cellulari.

I virus, una volta entrati all’interno della cellula, perdono la propria integrità strutturale in

quanto perdono il capside e l’eventuale involucro lipoproteico. All’interno della cellula vanno a

finire l’acido nucleico virale insieme a proteine capaci di regolare anche l’attività biosintetica

della cellula, con obbiettivo quello di replicare il materiale genetico virale. Alcuni virus sono

addirittura capaci di integrare il proprio acido nucleico a quello cellulare ed in questo caso il

genoma virale, che prende il nome di provirus, si replica ogni qualvolta si replica la cellula

ospite.

La classificazione dei virus.!

Sulla classificazione dei virus, si sono succedute opinioni basate sulle cellule ospiti in cui

essi stessi si riproducono, o sull’affinità dei virus per un tessuto specifico ecc. Da ciò si è

passato a classificazioni che utilizzano come metodo di misura proprietà intrinseche dei virus

come il tipo di acido nucleico, la simmetria del capside, la presenza o meno dell’envelope, le

dimensioni e il tipo di ospite. La classificazione più utile probabilmente rimane quella di David

Baltimore, pubblicata nel 2005, che considera i virus in base all’acido nucleico contenuto:

a. Gruppo I: dsDNA viruses;

b. Gruppo II: ssDNA viruses;

c. Gruppo III: dsRNA viruses;

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 45

d. Gruppo IV: positive-sense ssRNA viruses;

e. Gruppo V: negative-sense ssRNA viruses;

f. Gruppo VI: RNA reverse transcribing viruses;

g. Gruppo VII: DNA reverse transcribing viruses.

!

Ciclo replicativo dei virus.!

I virus non riescono a sopravvivere per molto tempo al di fuori di una cellula, ed il ciclo

replicativo di ognuno di essi è caratterizzato da una serie di eventi, sia nel caso dei batteriofagi

che nei virus eucariotici, che sono:

4. Attacco;

5. Penetrazione;

6. Liberazione dell’acido nucleico;

7. Replicazione e biosintesi;

8. Assemblaggio;

9. Rilascio.

VIRUS EUCARIOTICI.!

1) Attacco. Il virus si attacca alla cellula ospite per mezzo di un legame specifico tra le

proteine di attacco presenti sulla superficie del suo capside. Tale interazione richiede

l’attività di ioni in grado di ridurre le repulsioni elettrostatiche.

2) Penetrazione. I virus eucariotici possono attraversare le membrane cellulari o per

fusione o per endocitosi mediata da recettore. Nel primo caso si ha un processo pH-

indipendente, il cui l’involucro esterno virale si fonde semplicemente con la membrana

cellulare. Nel seconod caso si ha un processo pH-dipendente, in cui il virus viene

inglobato in una vescicola rivestita da clatrina che, una volta all’interno della cellula, perde il

rivestimento di clatrina e si fonde con un endosoma. Il pH acido all’interno di esso induce

un cambiamento conformazionale nelle proteine dell’envelope ed il conseguente rilascio

del nucleocapside nel citoplasma. L’endocitosi mediata da recettore è obbligatoria per i

virus nudi ed invece i virus con envelope possono usufruire di essa o del processo di

fusione.

3) Liberazione dell’acido nucleico o uncoating. Le proteine capsidiche o

nucleocapsidiche virali vengono degradate ed il genoma virale viene liberato nel

citoplasma.

4) Replicazione e biosintesi. Il virus, qualunque sia l’acido nucleico che contiene, deve

inibire i normali processi vitali cellulari, e lo fa grazie ad una molecola di mRNA virale che

viene tradotto in proteine strutturali virali e in enzimi deputati, solitamente, alla

degradazione dell’acido nucleico cellulare. I genomi virali devono però anche costituire lo

stampo che può essere replicato per produrre una progenie di genomi identici che poi

singolarmente vengono impacchettai nei virioni di nuova produzione.

BIOLOGIA RIASSUNTO DE LEO 46

5) Assemblaggio. Una volta che le molecole di acido nucleico e le proteine strutturali

virali si accumulano nella cellula, comincia un processo di autoassemblaggio mediata da

proteine chiamate chaperonine, che giocano un ruolo fondamentale nel determinare il

ripiegamento delle molecole proteiche in maniera corretta.

6) Rilascio. I virioni di nuova produzione vengono liberati o successivamente a lisi della

cellula, ed in questo caso saranno liberati come naked virus, o provvisti di envelope, e

quindi per gemmazione che avviene in due fasi distinte. Una in cui le glicoproteine virali

vengono inserite nella membrana, che interagendo con il capside, determinano

l’avvolgimento della membrana attorno ad esso ed il successivo rilascio.

Gli esiti di una infezione virale possono portare a:

Infezione produttiva. In questo caso le cellule sono permissive, e quindi consentono la

replicazione virale e solo successivamente vanno incontro a morte in maniera diretta per

virus nudi, o indiretta per apoptosi o necrosi.

Infezione abortiva. In questo caso le cellule non sono permissive, e si ha una

conseguente mancanza nella produzione di particelle virali.

Infezione restrittiva. Le cellule risultano transitoriamente permissive, anche se

vengono prodotti pochi virus. Il genoma del virus risulta essere persistente anche quando la

produzione si blocca, ed è questo il caso di Epstein-Barr o da Herpes simplex. Questo tipo

di infezioni si possono attivare e diventare produttive a seguito di particolari stimoli quali lo

stress.

In una piccola percentuale di cellule animali non permissive, l’infezione con certi virus

può portare ad una trasformazione cellulare definita immortalizzazione, che innesca un

processo di crescita cellulare incontrollata. Ciò può causare la crescita di formazioni

neoplastiche, ed i virus che causano ciò sono definiti oncogeni o tumorali. Essi possono

provocare il cancro per i loro effetti su geni soppressori tumorali che entrano in gioco in

maniera critica nella regolazione del ciclo cellulare. Questi virus possono essere dividi a

seconda dell’acido nucleico che posseggono:

1. Virus a DNA. I più studiati sono l’SV40 e il Polioma. L’HPV, virus del Papilloma,

inoltre nell’uomo può portare a tumori benigni come verruche o maligni al pene o alla

vulva e cervice uterina. Rientrano in questa categoria anche il virus dell’epatite B e alcuni

virus erpetici quali il virus di Epstein-Barr.

2. Virus a RNA. Tra questi vi sono i retrovirus che possiedono oncogeni virali, e tra i

più conosciuti vi sono il virus della leucemia HTLV-1 e HIV-1 che è il virus dell’AIDS.

!

VIRUS BATTERICI O BATTERIOFAGI.!

1) Attacco. In questa fase il batteriofago si ancora alla cellula batterica mediante legame

tra le proteine di attacco presenti sulle estremità libere delle fibre della coda e i recettori

specifici della cellula batterica. Questo legame inizia come debole e successivamente

diventa forte grazie alla piastra basale.

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DESCRIZIONE APPUNTO

Riassunto per l'esame di Biologia applicata, basato su rielaborazione di appunti personali e studio del De Leo, terza ed., riguardante gli argomenti:
1)Basi generali della biologia; 2) Gli acidi nucleici; 3)Replicazione DNA; 4)Trascrizione e maturazione RNA; 5)Struttura codice genetico e traduzione; 6)Membrane e meccanismi di trasporto; 7)Meccanismi di segnalazione cellulare; 8)Meccanismi e vie di smistamento delle molecole; 9)Meccanismi di adesione cellulare; 10)Virus:caratteristiche generali e replicazione; 11)Riproduzione e ciclo cellulare; 12)Apoptosi; 13)Mutazioni: variazione basi, variazione ai cromosomi, variazioni al genoma; 14)Riparazione del DNA; 15) Cromosomi umani e cariotipo.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in medicina e chirurgia (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Catania - Unict
A.A.: 2014-2015

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher giovyct di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia applicata e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Catania - Unict o del prof Scalia Marina.

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