Riassunto esame Biologia e Genetica, Prof. Mancone-Tripodi, libri consigliati Karp e Russel

Biologia e genetica

Simon Benjamin Meghnagi - Medicina e Chirurgia
Sant'Andrea (Sapienza)
1 Giugno 2015

Libri di riferimento: Karp e Russel ed integrati con le lezioni grazie anche a:
Michela Capotosto - Ludovico Caruso - Silvia Galli - Ludovica Germinario - Irene Lapucci - Marta Zappalà

Indice

Biologia (Karp)

• Capitolo 1 – 4 La cellula, Membrana Citoplasmatica Pagina: 2 a 13
• Capitolo 5 Metabolismo, Mitocondri e ATP Pagina: 13 a 32
• Capitolo 7 Matrice Extracellulare Pagina: 32 a 39
• Capitolo 8 Sistema delle Endomembrane (RE, GC) Pagina: 39 a 47
• Capitolo 9 Citoscheletro Pagina: 47 a 54
• Capitolo 10 La natura del gene e il genoma Pagina: 54 a 57
• Capitolo 11 Trascrizione e Traduzione Pagina: 57 a 67
• Capitolo 12 Il nucleo, controllo dell’espressione genica Pagina: 67 a 72
• Capitolo 13 Replicazione e Riparazione del DNA Pagina: 72 a 78
• Capitolo 14 Mitosi e Meiosi Pagina: 79 a 86
• Capitolo 15 Trasduzione del Segnale Pagina: 87 a 97
• Capitolo 16 Il cancro Pagina: 97 a 103

Genetica (Russel)

• Capitolo 4 La funzione del Gene Pagina: 103 a 105
• Capitolo 7 Mutazione, Riparazione, Trasposoni Pagina: 105 a 109
• Capitolo 8 Mappatura e sequenziamento del Genoma Pagina: 109 a 113
• Capitolo 9 - 10 DNA Ricombinante, PCR Pagina: 113 a 116
• Capitolo 11 Genetica Mendeliana Pagina: 116 a 118
• Capitolo 12 Basi cromosomiche dell’ereditarietà Pagina: 119 a 121
• Capitolo 13 Deviazioni dai Principi mendeliani Pagina: 121 a 124
• Capitolo 14 Mappe genetiche negli eucarioti Pagina: 124 a 126
• Capitolo 15 La genetica in Batteri e Batteriofagi Pagina: 126 a 130
• Capitolo 16 Variazioni nella struttura dei cromosomi Pagina: 130 a 134
• Capitolo 17 Regolazione espressione genica: procarioti Pagina: 134 a 138
• Capitolo 18 Regolazione espressione genica: eucarioti Pagina: 138 a 142
• Capitolo 21 Genetica di Popolazioni (Hardy-Weinberg) Pagina: 142 a 150
• Capitolo 23 Evoluzione Molecolare Pagina: 150 a 151

Le cellule

Introduzione: I principi della teoria cellulare

• Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule
• La cellula è l’unità strutturale della vita
• Le cellule possono avere origine solo per divisione di cellule preesistenti

Le cellule sono le più piccole entità viventi, in grado di essere coltivate in coltura e di morire (di propria volontà) grazie a meccanismi di controllo intrinseci. Le cellule possiedono un programma genetico e i mezzi per utilizzarlo, la struttura molecolare dei geni permette variazioni nelle informazioni genetiche (mutazioni) responsabili delle differenze tra gli individui.

Le cellule sono capaci di riprodursi:

• Il materiale genetico viene replicato ma nella divisione una delle due cellule può trattenere tutto il citoplasma (ovocita umano).

Le cellule sono in grado di rispondere a stimoli esterni grazie a recettori che legano sostanze presenti nell’ambiente con elevata specificità. Sono capaci di auto-regolazione, ma grazie a reazioni a catena spontanee in modo che ogni tappa inneschi quella successiva.

Cellule procariotiche e eucariotiche

Si distinguono per la loro taglia e per il tipo di organuli contenuti: le cellule procariotiche sono rappresentate dai batteri. Le eucariotiche da: protisti, funghi, piante ed animali. Entrambi hanno un linguaggio genetico identico, vie metaboliche e molte caratteristiche strutturali in comune: sono delimitati da una membrana plasmatica perm-selettiva, e da una parete cellulare (opzionale) rigida (non vivente) per scopi protettivi.

Nei procarioti la regione nucleare è identificata dal nucleoide, che è privo di una membrana limitante che lo separi dal citoplasma circostante. Le cellule eucariotiche al contrario possiedono un nucleo delimitato da una complessa struttura membranosa (involucro nucleare). Mentre il DNA degli eucarioti è associato a proteine a formare la cromatina, quello dei procarioti è un singolo cromosoma lineare essenzialmente nudo.

Il citoplasma eucariotico è molto più complesso, presenta una serie di strutture membranose e organuli delimitati da membrane (in grado di dividere il citoplasma in compartimenti in cui hanno luogo attività specializzate). Nei procarioti non sono presenti strutture membranose, infatti dato il loro volume non è necessario alcun sistema di comunicazione intracellulare (come quello istituito dalle vescicole e canali formati dalle cellule eucariotiche). La fase solubile del citoplasma è detta citosol.

Negli eucarioti durante la mitosi i cromosomi duplicati vengono separati da microtubuli (fuso mitotico), cosa che non avviene nei procarioti dove il DNA è separato dalla membrana che cresce dividendolo. I procarioti sono in grado di scambiarsi frammenti di DNA, e di muoversi tramite un filamento proteico (flagello).

Tipi di cellule procariotiche

Due grandi gruppi tassonomici: Archea (o archeobatteri) (più simili agli eucarioti) e Bacteria (o eubatteri).

• Archea: sono estremofili (vivono in ambienti estremi) (pH e T elevata)
• Bacteria: comprende tutte le altre specie (la più piccola è di 0.2 μm di diametro detti microplasmi), i più complessi sono i cianobatteri in grado di operare la fotosintesi

Tipi di cellule eucariotiche

Le più complesse sono i protisti in quanto sono unicellulari e contengono tutti i meccanismi necessari al metabolismo. Le cellule di organismi pluricellulari, invece, sono altamente specializzate e si formano mediante il differenziamento grazie alla espressione di differenti caratteri in seguito alla ricezione di particolari segnali.

Organismi Modello

Alcuni organismi sono stati scelti come modelli su cui sperimentare in rappresentanza della diversità degli organismi viventi:

• Un batterio: E coli: forma a bastoncello, vive nel tratto gastro-intestinale dell’uomo
• Un lievito: Saccharomyces cerevisiae: è il meno complesso degli eucarioti studiati ma contiene un gran numero di proteine sintetizzabili (circa 6200)
• Una pianta: Arabidopsis thaliana (comunemente arabetta): ha un genoma piccolo e si riproduce velocemente
• Un nematode: Caernorhabditis elegans: formato da circa 1000 cellule che si sviluppano con un particolare schema
• Un moscerino della frutta: Drosophila melanogaster: piccolo ma complesso utile per lo studio di comportamenti semplici e di espressione genica
• Un topo: Mus musculus: esistono diversi tipi geneticamente differenti

Le dimensioni delle cellule

Sono contenute per due motivi:

• Maggiore è il volume del citoplasma e più tempo è necessario per veicolare un’informazione/sostanza all’interno di essa, essendo la cellula dipendente dal movimento casuale delle molecole (diffusione)
• Aumentando il volume della cellula il rapporto superficie/volume diminuisce e così diminuisce anche la capacità di una cellula di scambiare sostanze con l’ambiente (Es: l’interno delle cellule vegetali è occupato da un vacuolo piuttosto che da citoplasma metabolicamente attivo)

I virus

Hanno forma, struttura e grandezza varie, ma sono tutti: parassiti endocellulari obbligati, e al di fuori di una cellula vivente (vegetale, animale o batterica) il virus esiste sotto forma di virione. Esso contiene una piccola quantità di materiale genetico (DNA o RNA) a singola o doppia elica, racchiuso in un involucro proteico detto capside. I virioni sono incapaci di riprodursi o metabolizzare o di compiere qualunque attività associata alla vita.

Il capside proteico può essere racchiuso da un involucro esterno contenente lipidi (che deriva dalla membrana plasmatica dell’ospite). Ogni virus ha proteine di superficie che si legano a componenti della superficie della cellula ospite facilitando l’entrata del virus nella cellula. Ciò determina la specificità del virus.

Le infezioni virali sono di due tipi:

• Il virus blocca le attività sintetiche dell’ospite e costringe la cellula a costruire i nuovi virioni, la cellula si rompe (lisi) e si liberano i virioni.
• Il virus integra il suo DNA in quello dei cromosomi dell’ospite (provirus) che può avere diversi effetti: può esprimersi in seguito a stimoli, e può anche non portare alla lisi della cellula (la progenie virale si libera per gemmazione dalla superficie), inoltre può portare alla perdita del controllo della crescita e della replicazione, nella cellula, portando ad un tumore.

Viroidi: sono agenti infettanti alquanto semplici costituiti da una molecola di RNA priva di rivestimento proteico. L'RNA non codifica nessuna proteina, ma presenta il fenomeno dell'RNA silencing, con cui causa danni alla cellula infettata; si replica mediante l'RNA polimerasi II della cellula.

Prioni: È una particella infettiva di natura esclusivamente proteica: la sua modalità di infezione è data da una particolare catena proteica alfa e beta ripiegata in maniera scorretta, che induce altre proteine ad assumere la stessa conformazione anomala. Queste proteine sono poi in grado a loro volta di infettare le proteine adiacenti.

Le basi chimiche della vita

Legame covalente: coppie di elettroni condivisi da coppie di atomi, la formazione di un legame richiede energia. Gli elettroni si delocalizzano sull’atomo più elettronegativo, creando molecole polari (Biologiche: O, N, S). I legami non covalenti dipendono dalla attrazione elettrostatica e sono deboli.

Legame idrogeno: atomo di H legato covalentemente a un atomo elettronegativo che forma un legame dativo con un altro atomo elettronegativo. Le molecole polari sono dette idrofiliche, quelle apolari idrofobiche che mescolate in acqua tendono ad aggregarsi in modo da minimizzare la loro esposizione all’ambiente polare (interazione idrofobica) che dipende dalla generazione di deboli forze di van der Waals.

Le proprietà dell’acqua: è una molecola asimmetrica, in cui il legame covalente è fortemente polarizzato e gli atomi tendono a formare legami H tra di loro. I gruppi funzionali conferiscono ad una molecola particolari caratteristiche: le proprietà fisiche, la loro reattività chimica e la loro solubilità in acqua.

Legame esterico (-COOH + -OH) e amminico (-COOH + -NH). Le macromolecole sono divise in quattro categorie: proteine, acidi nucleici, polisaccaridi e certi lipidi. I primi tre sono polimeri composti da unità a basso peso molecolare (monomeri) che sono spesso degradati e ricostruiti dalle cellule (ad eccezione del DNA).

I metaboliti intermedi sono i composti che si formano nella via metabolica prima di giungere ad un prodotto funzionale. In un acido grasso il gruppo carbossilico è idrofilico perché a pH neutro è deprotonato. Le molecole che hanno regioni idrofobiche e idrofiliche sono dette anfipatiche. Il potere del sapone è dato dalla formazione di micelle (le teste negative all’esterno interagiscono con l’acqua). I grassi che possiedono doppi legami sono detti insaturi. Gli steroidi contengono un caratteristico scheletro a 4 anelli.

I fosfolipidi: è un diacilglicerolo dove il terzo gruppo ossidrilico della catena del glicerolo è legato covalentemente ad un gruppo fosfato che è legato a un gruppo polare. L’estremità del gruppo fosfato è idrofilica, l’estremità con gli acidi grassi è idrofobica.

Le proteine sono: enzimi, ormoni, attivatori genici e svolgono numerose attività di regolazione. Hanno forme e superfici che consentono loro di interagire selettivamente con altre molecole mostrando un alto grado di specificità. Le proteine sono biopolimeri costituiti da catene lineari di amminoacidi, che si uniscono con un legame peptidico (di condensazione) che porta alla perdita di una molecola di acqua. La catena così formata ha un inizio (N-terminale) e una fine (C-terminale). La catena laterale (R o gruppo residuo) varia molto tra i venti amminoacidi, esse sono importanti sia nelle interazioni intramolecolari (determinano la struttura e l’attività della molecola) sia in quelle intermolecolari (determinano le relazioni con le altre molecole).

• Polari carichi: Le catene laterali idrofiliche agiscono come acidi o basi tendendo ad essere cariche in condizioni fisiologiche. Esse formano legami ionici e sono spesso coinvolte in reazioni chimiche.
• Polari non carichi: Le catene laterali sono idrofiliche e tendono ad essere cariche e a formare legami H e associarsi con l’acqua.
• Non polari: La catena laterale è idrofobica e è costituita quasi totalmente da atomi di C e H. Questi amminoacidi tendono a formare il nucleo più interno delle proteine solubili. Sono molto importanti nelle membrane dove si associano con la membrana plasmatica.

Dotati di proprietà particolari:

• Cys (Cisteina): forma ponti disolfuro con un’altra Cys
• Pro (Prolina): il R crea snodi nelle catene polipeptidiche interrompendo la struttura secondaria ordinata

I ponti disolfuro si formano spesso in polipeptidi distanti fra loro nella catena polipeptidica e aiutano a stabilizzare le forme delle proteine. Gli amminoacidi che si trovano nelle proteine possono anche subire modifiche post-traduzionali (quali l’aggiunta di un gruppo fosfato) che possono modificare la struttura 3D e i livello di attività o la durata di vita/le interazioni con altre molecole.

La struttura delle proteine

Vi è una stretta correlazione tra forma e funzione: le complesse funzioni delle proteine si possono realizzare grazie a piccole variazioni nella loro conformazione:

Struttura Primaria: è la sequenza lineare degli amminoacidi che compongono la catena, la successione degli amminoacidi determina la forma 3D della catena.

Struttura Secondaria: la disposizione tridimensionale degli atomi in una molecola si dice conformazione, le catene polipeptidiche presentano conformazioni tali da permettere la massima possibilità di legami H tra gli amminoacidi vicini. Vi sono due conformazioni:

• α elica: spirale avvolta e delimitata da un cilindro, lo scheletro è all’interno dell’elica e le catene laterali si proiettano all’esterno, la struttura è stabilizzata da legami H, che si formano tra gli amminoacidi che distano tra loro 4 posizioni nel filamento. Spesso il lato rivolto verso l’esterno contiene R polari mentre quello interno contiene R non polari. Ogni giro dell’elica corrisponde a 3.6 amminoacidi.
• foglietto β: costituito da segmenti di un polipeptide disposti in modo affiancato che assumono una conformazione pieghettata. Vi sono numerosi legami H orientati perpendicolarmente all’asse della catena polipeptidica, i segmenti vicini dello scheletro polipeptidico possono essere paralleli o antiparalleli.

Le parti di una catena polipeptidica non organizzate in questo modo possono formare: cerniere, giri, anse o estensioni digitiformi (sono parti flessibili della catena e le sedi di maggiore attività biologica).

Struttura Supersecondaria: combinazioni di sequenze di α eliche, foglietto β e sequenze non ripetitive, sono ad un livello di complessità compreso tra la struttura secondaria e quella terziaria; questa struttura si trova facilmente nelle proteine composte da almeno due domini.

Struttura Terziaria: descrive la conformazione dell’intero polipeptide, è stabilizzata da legami non covalenti tra le diverse catene laterali di una proteina. Si dividono in proteine fibrose (di forma più allungata) e globulari (forma compatta). Le catene polipeptidiche delle proteine globulari sono ripiegate e avvolte in forme complesse, dove punti distanti sono legati fra loro.

Domini proteici: due o più moduli distinti si definiscono domini, essi si strutturano indipendentemente l’uno dall’altro e spesso rappresentano parti che funzionano in modo semi-indipendente o corrispondere ad una funzione specifica. Le proteine sono capaci di considerevoli movimenti interni, il legame con una specifica molecola può indurre modificazioni conformazionali non casuali.

Struttura Quaternaria: le proteine possono essere costituite da subunità legate tra loro da legami disolfuro covalenti o da legami non covalenti. Le proteine formate da due subunità identiche si chiamano omodimeri, eterodimeri se le subunità sono differenti.

Interazioni Proteina-Proteina: proteine diverse si associano fisicamente (in maniera dinamica: associandosi e disassociandosi a seconda delle condizioni) a formare un grande complesso multiproteico. L’interazione è stabilizzata da legami non covalenti, e è regolata tramite meccanismi che sono in grado di attivare o disattivare la capacità di legare una proteina complementare.

Il ripiegamento delle Proteine: la sequenza di amminoacidi contiene tutte le informazioni per l’assemblaggio della forma 3D (la denaturazione è lo srotolamento di una proteina che perde la forma nativa). A seguito della struttura secondaria si forma una struttura di transizione parzialmente ripiegata. Per concludere l’assemblaggio gli chaperoni intervengono sia per velocizzare la reazione sia evitando che durante il ripiegamento la proteina interagisca con altre molecole all’interno della cellula. Essi si legano selettivamente a brevi segmenti costituiti da amminoacidi idrofobici, gli chaperoni Hsp70 si legano alle catene polipeptidiche in fase di allungamento mentre queste emergono dal ribosoma. Alcune sono trasferite in complessi proteici detti chaperonine che contengono camere in cui i polipeptidi appena sintetizzati possono ripiegarsi senza subire interferenze da parte di altre macromolecole presenti nella cellula.

Acidi Nucleici

(DNA e RNA) Sono filamenti di monomeri (nucleotidi) che hanno come compito l’archiviazione e la trasmissione di informazioni. Ogni nucleotide è costituito da tre parti: uno zucchero (ribosio), una base azotata e un gruppo fosfato. I nucleotidi sono legati da ponti zucchero-fosfato (legami 3’-5’-fosfodiesterici). Le pirimidine (un solo anello) sono la C, T e U, e le purine (due anelli) A e G.

Bioenergetica, Enzimi e Metabolismo

L’energia è la capacità di compiere lavoro e viene utilizzata dalle cellule per vari processi metabolici. Gli enzimi sono proteine che agiscono come catalizzatori, abbassando l'energia di attivazione delle reazioni chimiche. Il metabolismo comprende tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule, suddivise in due categorie principali: anabolismo, dove si costruiscono molecole complesse, e catabolismo, dove queste vengono scomposte per liberare energia.