fondamenti neurobiologici e genetici

A.A.2020/21

PRIMO

SEMESTRE

nulla si crea, nulla si distrugge,

tutto si trasforma - Lavoiser

FONDAMENTI

NEUROBIOLOGICI

E GENETICI

Marco Piccoli INTRODUZIONE

10%/20%, accentua il metabolismo

l’alimentazione energetico, hanno un ruolo unicamente

funzionale

Per l'uomo la nutrizione h a dei valori

La materia è sottoposta a leggi: aggiuntivi: la convivialità, valori psicologici

Prima legge: nulla si crea ne si distrugge, ma (anoressia, bulimia). "non di solo pane (cibo)

tutto si trasforma vive l'uomo" ci deve essere anche lo spirito

Seconda legge della termodinamica: entropia, umano.

tutto tende spontaneamente dall'ordine al

disordine, tutta la materia è sottoposta a

questa legge, ma per gli organismi viventi metodo scientifico

questa legge in parte non è seguita, c'è un

livello di organizzazione di strutture a livello

biologico resistente, che permette di sviare Conoscenza scientifica: risultati ottenuti

temporaneamente questa legge. C'è un grazie al metodo scientifico, caratterizzati da

ordine in ciascun elemento vivente, partendo rigore e oggettività

dallo zigote fino alla fase adulta mantenendo Aristotele nella metafisica scrive:

l'ordine che va scemando con l'avvento della Infatti gli uomini h anno cominciato a

vecchiaia. Con l'assenza della vita la legge filosofare, ora come in origine, a causa della

prende il sopravvento poiché è materia non meraviglia; mentre da principio restavano

vivente. La materia vivente è caratterizzata stupiti di fronte alle difficoltà più semplici, in

da una materia resistente alla legge che seguito, progredendo a poco a poco, giunsero

trasmetterà alla sua prole. Gli organismi a porsi probl emi sempre maggiori: ad

viventi sono caratterizzati da questa struttura esempio, i problemi riguardanti i fenomeni

e si riproducono ed essi sono attraversati da della luna, del sole e degli astri, o quelli

un continuo flusso di energia sia in entrata riguardanti la generazione dell’intero

che in uscita ed essa è energia chimica universo»

Organismi autotrofi (producono da soli il cibo, Il metodo scientifico è usato per raccogliere

piante) ed eterotrofi (sfruttano i composti informazioni e conoscenze da diverse scienze

organici esterni, uomo) entrambi usano tra cui quelle matematiche, fisiche e umane.

l'energia chimica, si introduce il ciclo della Il metodo scientifico è costituito da un

vita, gli autotrofi fotosintetici catturano i percorso che fornisce un'informazione di

fotoni di luce del sole grazie alla clorofilla e carattere scientifico, oggettività e rigore.

questi vengono sfruttati per la produzione di Osservazione, di un fenomeno che si

1.

composti organici a base di glucosio e osserva in natura, come la caduta della

ossigeno, i composti organici prodotti dalle mela di newton

piante sono gli alimenti delle stesse. Gli Probl ema, definizione corretta del

2.

eterotrofi ingeriscono dei composti organici p ro b l e m a , c i p o n i a m o q u e s t i o n i

di cui le piante e animali sono costituiti, riguardo il fenomeno, ad esempio, come

digerendoli ottengono ATP e quindi energia. mai accade?

Entrambe le categorie sono essenziali per Ipotesi di soluzione, gli studiosi usano il

3.

mantenere il ciclo. metodo scientifico, facciamo tentativi

Gli organismi viventi hanno bisogno di logici per trovare una o più risposte

alimentarsi: Verifica o confutazione, possiamo

4.

Valenza energetica: per avere energia

• formulare molte ipotesi ma poi occorre

(c'è una quantità minima di base per la verificare quale sia corretta e quali sono

sopravvivenza) da confutare. La verifica è sempre

Val enza struttural e: per avere un

• sperimentale. Quando abbiamo stabilito

rifornimento di materiali per le crescita la correttezza di un ipotesi si passa alla

e il rinnovamento dell e s trutture teoria.

dell'organismo perché ci sono proteine Conclusione o teoria, conclusione che

5.

che andranno a costruire amminoacidi può spiegare il fenomeno. Spiegazione

per essere poi assemblati in proteine con certezza del fenomeno. Le teorie

umane non sono definitive poiché la capacità

Valenza funzionale: h2o, Sali minerali e

• scientifica si evolve. Capita che si

le vitamine che sono essenziali alla vita possono integrare le teorie scientifiche

u m a n a , s er vo n o a l l a c e l l ul a p er successivamente.

determinate reazioni chimiche, essere Comunicazione alla comunità scientifica

6.

sono cofattori (coenzimi) di enzimi, e poi a tutta la comunità. Tappa

senza le quali le cellule renderebbero il

fondamentale, la conclusione deve tipo S virulenti e iniettandoli nei topi

essere resa pubblica. Si scrive un e s s i m o r i va n o . S u c c e s s i va m e n te

articolo da pubblicare e per fare ciò uniscono batteri di tipo R e DNA

occorre garantire l'oggettività e la purificato di batteri di tipo S morti con

ripetibilità in modo tale che il medesimo l'enzima desossiribonucleasi otteniamo

risultato possa essere ottenuto da s o l o b a tte r i d i t i p o R , s e n z a

chiunque anche per ulteriori verifiche e trasformazioni. Grazie a questo si

per garantire. Senza questo non è comprende che è proprio il DNA il

possibile definirle teorie scientifiche principio trasformante.

Conclusione: La molecola del DNA

5. integra nella sua struttura, “è l’unità

Diplococcus pneumoniæ fondamental e del principio

trasformante” degli pneumococchi tipo

R (non capsulati e non patogeni) in

pneumococchi tipo S (capsulati e

STUDIO SULLA NATURA CHIMICA DELLA patogeni) e La trasformazione è

S O S TA N Z A CHE INDUCE UNA permanente ed ereditaria

TRASFORMAZIONE EREDITABILE IN UN TIPO DI Comunicazione scritta, pubblicano la

PNEUMOCOCCHI di Oswald T. Avery, Colin M. 6. loro ricerca sul Journal of Experimental

MacLeod e MacLyn McCarty Medicine.

Diplococcus pneumoniæ, batterio procariote

unicellulare. C'è di tipo R (forma se messo su

una superficie colonie rugose) o tipo S sindrome di Rett

(formano colonie con una superficie liscia),

questa differenza è data dalla presenza o

meno della capsula (assente nel tipo R). I Studio della correlazione tra specifiche

ceppi di tipo R non sono virulenti, mentre di mutazioni nel gene MECP2 e il profilo clinico

tipo S sono virulenti per i topi e li porta alla delle pazienti con sindrome di Rett

m o r te . Q u e s t o e s p e r i m e n t o s i b a s a Osservazione, mutazioni nella sequenza

sull'esperimento fondamentale di Griffith: 1. del gene MECP2 causano lo sviluppo di

inietta i batteri di tipo S patogeni nei topi che una sindrome di una patologia

moriranno mentre iniettando i batteri di tipo R neurodegenerativa che colpisce in

non virulenti nei topi essi sopravvivono. Egli maggior numero bambine. La sindrome

nota successivamente che uccidendo i batteri di Rett è eterogenea, è stata osservata

di tipo S tramite il riscaldamento della beuta eterogeneità genetica: sono state cioè

contenitiva ed iniettandoli nei topi essi identificate mutazioni patogenetiche

sopravvivono. Infine egli unisce i batteri di anche nei geni CDKL5 e FOXG1 e ci sono

ceppo S morti e i batteri di ceppo R vivi e 5 diverse modalità di presentazione

inserendo la miscela nei topi essi moriranno, della patologia con anche un decorso

i n d i v i d u a l a p re s e n z a d i u n a g e n te diverso di gravità differente.

trasformatore senza scoprirlo e descriverlo. Definizione del problema, esistono

Inizia l'esempio. 2. fattori che giustificano di questa

Osservazione, notano la trasformazione

1. eterogeneità? Esiste uno strumento

in batteri virulenti come aveva notato adeguato per ril evare il grado di

Griffith. Pneumococchi tipo S, se disabilità delle pazienti?

aggiunti a colture di tipo R, provocano Ipotesi: di natura genetica, mutazioni

una trasformazione da tipo R a tipo S, 3. diverse localizzate lungo i vari domini

permanente ed ereditaria. della proteina MECP2 ed identificate

Definizione del problema, vogliono

2. nelle pazienti sono responsabili dei

capire la natura chimica del principio diversi profili clinici osservati. Seconda

trasformante ipotesi, costruire una scala RARS è uno

Ipotesi, pensano alle macromolecole

3. strumento adatto a esprimere la varietà

presenti nei batteri come il DNA, RNA, e la severità delle aree sintomatiche

proteine e polisaccaridi, quale di questi delle pazienti con sindrome di Rett.

determina la trasformazione? Verifica delle ipotesi, analisi genetica di

Verifica delle ipotesi, prendono i batteri 4.

4. 114 pazienti per individuare dove fosse

di ceppo S morti, li lavorano ottenendo la mutazione genetica; poi analisi con il

tutto ciò che i batteri contengono e RARS, test specifico per la sindrome di

infine purificando ottengono il DNA Rett, valutando tutte le aree neuro-

purificato. Successivamente prendendo cognitive; infine si controlla se ci fosse

i batteri di tipo R e unendoli al DNA una relazione tra i due risultati per

purificato di quelli di tipo S lasciandoli a c i a s c un a p a z i e n te . P er c i a s c un a

contatto per 48/72 ore e notano che p a z i e n te è s ta ta i d e n t i f i c a ta l a

successivamente si hanno dei batteri di

mutazione. RARS, analizza la percezione

visiva e uditiva, l'area cognitiva, l'area

emozionale, l'autonomia, caratteristiche

fisiche e comportamentali. Si ricerca

una possibile correlazione tra aspetto

genetico e RARS. La donna che presenta

m u ta z i o n i s e ve re ( p r o te i n e n o n

f un z i o n a n t i ) p re s e n ta il 9 0 d i

%

disabilitò; la donna che presenta

mutazioni moderate presenta un livello

di disabilità circa all'80%. Si scopre che

c'è una correlazione tra il genotipo e il

fenotipo clinico definito dalla RARS. Si

ha analizzato successivamente in quali

aree specifiche della RARS ci fosse una

disabilità

C o n c l u s i o n e , è c o n f e r m a t a l a

5. correlazione tra RARS e genotipo;

mutazioni diverse del gene MECP2

determinano condizioni di diversa

gravità nell’espressione della sindrome;

in particolare mutazioni troncanti

determinano un fenotipo clinico più

grave delle mutazioni missenso. Si nota

inoltre che relativamente alle mutazioni

missenso più frequenti, si può notare

che le pazienti con queste mutazioni

presentano uno specifico profilo di

disabilità nelle diverse aree considerate

C o m u n i c a z i o n e s c r i t t a , s c r i t t o

6. dell'analisi genetica e ogni passaggio

dello studio ACIDI NUCLEICI

dna ed rna

Tutti gli organismi viventi hanno un progetto

formativo-costitutivo secondo il quale si

sviluppa la struttura e l’insieme delle attività

metaboliche dell’organismo stesso. Il progetto

formativo è scritto nel materiale genetico.

Il fenotipo è la risultante del genotipo e

dell'ambiente. È importante la dote genetica

acquisita dalla nascita. Il genotipo è l'insieme

di tutte le informazioni genetiche. Il genotipo

è in continua interazione con l'ambiente fin

d a l c o n c e pi m e n t o . L ' a l te z z a è p o c o

influenzata dall'ambiente. Il capello castano

dipende dall'informazione genetica ma le

ciocche bionde sono il risultato

dell'interazione con l'ambiente, i capelli tinti,

l'ambiente sono anche le esperienze che una Il DNA è un polimero costituito da nucleotidi,

persona può fare e va a costituire una parte essi sono legati tra loro da un legame

del fenotipo. Ambiente considerato anche il fosfodiesterico covalente, dall'estremità 3'OH

cibo. Ambiente per il feto è il ventre materno all'estremità 5'O in rosso. I filamenti hanno

che lo custodisce e nutre ma che se la madre due estremità, quella in alto 5' fosfato, quella

ha comportamenti scorretti può danneggiare in basso 3'H

e modificare il fenotipo Lo schel etro del DNA è costituita dal

Il DNA è una macromolecola, polimeri lineari desossiribosio, mentre le basi variano. Ci sono

molto lunghi. I monomeri di base del DNA basi puriniche (adenina e guanina) e

sono i nucleotidi e il DNA contiene le pirimidiniche (citosina e timina), le prime

informazioni geniche grazie alle diverse hanno un ingombro sterico maggiore, le

disposizioni dei nucleotidi. seconde sono formate da un solo anello

Cromosoma, corpo colorato. L'informazione

genetica è contenuta nei cromosomi e

l'insieme dei cromosomi è il genoma

dell'organismo. Il genoma umano contiene 3

m i l i a r d i d i c o p pi e d i n u c l e o t i d i . L a

complessità è direttamente proporzionale alla

grandezza del genoma, ma ci sono delle

eccezioni, le cellule di alcuni anfibi ed anche

di qualche tipo di pianta contengono 30 volte

più DNA dell’uomo.

DNA, acido desossiribonucleico. RNA genoma

solo per alcuni virus. Il DNA è il materiale per

eccellenza degli organismi viventi. I virus

s o n o p a ra s s i t i o b b l i g a t i , s f r u tta n o i

meccanismi delle cellule ospiti fino alla morte.

I virus non sono in grado di sopravvivere e

compiere il ciclo riproduttivo in modo

autonomo.

Ciascun nucleotide presenza un gruppo

fosfato, uno zucchero (ribosio), una base

purinica. Se in posizione 2' non ci fosse il

gruppo ossidrile sarebbe il ribosio che invece

è presente delle catene di RNA

Nei nucleotidi ci sono le basi puriniche o

pirimidiniche (adenina, guanina, citosina,

timina per il DNA)(adenina, guanina, citosina

e uracile per l’RNA) Il DNA e RNA non differiscono per i legami

fosfodiesterici, ma la differenza è nel tipo di

zucchero e nell'RNA c'è l'uracile anziché la sono antiparallele, il primo filamento in alto

timina. L'RNA è a singolo filamento mentre il abbiamo il 5' e in basso il 3' mentre il secondo

DNA è un doppio filamento. il alto ha il 3' e finisce con il 5'. Tra le basi

Nelle cellule eucariote troviamo sia il DNA che azotate ci sono dei legami. Il DNA nello spazio

l'RNA, il DNA contiene le informazioni per lo assume una configurazione ad elica.

sviluppo dell'organismo vivente, contenuto

nei cromosomi custoditi all'interno del nucleo,

contiene il genoma dell'organismo. Una parte

del DNA è contenuto in un filamento circolare

di DNA contenuto nei mitocondri, qui si

trovano le informazioni per la sintesi di

proteine utili al funzionamento dei mitocondri

stessi. Nel citoplasma c'è l'RNA

citoplasmatico: messaggero, transfert e

ribosomiale. Nel DNA ci sono le informazioni

utili al funzionamento della cellula. Questa

informazione viene trascritta in un messaggio

su una molecola di mRNA che andrà poi a

formare una proteina, si passa dal genotipo al

fenotipo cellulare.

Dogma centrale della biologia: l'informazione

è contenuta nel DNA, DNA trascrive parte

dell'informazione in molecole di RNA che

verranno tradotte per formare le proteina.

Avviene in tutte le cellule eucariotiche. Sono

stati scoperti alcuni virus a RNA che

retrotrascivono il proprio genoma nel DNA Tra le basi azotate ci sono legami (ponti di

ospite. idrogeno), l'adenina complementa la timina,

la guanina è complementare alla citosina.

Non è possibile fare altri collegamenti, la

Tr a s c r i z i o n e : i l DN A r e n d e f r u i b i l e complementarietà è un valore assoluto. Tra le

l'informazione in esso contenuto attraverso basi appaiate tra timina e adenina ci sono

l'RNA. L'informazione è racchiusa nel genoma, due legami ad idrogeno, mentre tra guanina e

serve all'organizzazione dell'organismo citosina ci sono 3 legami ad idrogeno, è un

vivente. L'informazione deve essere resa legame molto più debole da un legame

disponibile all'utilizzo allora vengono usati gli covalente come il legame fosfodiesterico. I

RNA. I geni che servono al mantenimento ponti ad idrogeno possono essere spezzati,

della cellula vengono sempre trascritti fenomeno fisiologico importante sia per la

(glicolisi, metabolismo cellulare) mentre gli duplicazione che la trascrizione.

altri possono o meno essere trascritti a Il DNA nelle cellule è associato alle proteine

seconda delle necessità. In tutte le cellule istoni, alcuni istoni si riuniscono in gruppi da

l'informazione è completa ma non tutta viene otto formando un gruppo istonico, intorno al

sempre utilizzata, varia a seconda delle nucleo istonico il DNA fa un doppio giro. Tra

esigenze, l'informazione trascritta in base alle un nucleo istonico e quello successivo c'è un

esigenze necessarie. tratto di DNA collegato a un istone H1. Tutti i

Replicazione: custodisce l'intera informazione nuclei istonici si assembrano in un'elica molto

quando le cellule si devono dividere. Riguarda stretta che a sua volta va a formare una

solo il DNA, contenitore di tutta l'informazione. figura a fiore e ciò forma un cromosoma in

Prima che una cellula si divida è necessario una forma superspiralizzata. Gli istoni sono

che il DNA sia duplicato per poter affrontare proteine presenti solo nel nucleo, rendono

l e d i v i s i o n i s e n z a a l c un a p erd i ta d i possibile il compattamento del DNA in ogni

i n for m a z i o n e. Vi è l a m i to s i (ce l l ul e forma, sono proteine piccol e con

somatiche) e la meiosi (cellule germinali). amminoacidi carichi positivamente e per

Genoma umano contiene 46 cromosomi, in q u e s to s i l e g an o a l DN A c a r i c a

c i a s c un a c e l l ul a s o n o p re s e n t i t u tt i . negativamente. Il DNA deve essere purificato

Nell'organismo umano sono codificate 22000 dagli istoni per essere analizzato.

proteine a differenza dei 3 milioni possibili. La