RIPASSO “Biologia” Prof.ssa Flavia Frabetti

PROPRIETA’ COMUNI degli ESSERI VIVENTI riproduzione morte crescita e sviluppo capacità di PRENDERE, TRASFORMARE USARE l’energia dell’ambiente esterno PROPRIETA’ COMUNI degli ESSERI VIVENTI programma interno ordine reattività adattamento all’ambiente omeostasi

TEMI TRASVERSALI FONDAMENTALI IN BIOLOGIA 1) gerarchia dell’organizzazione 2) correlazione tra struttura e funzione 3) unità nella diversità 4) interazione tra organismi ed ambiente 5) base cellulare della vita 6) ereditarietà della informazione genetica

GERARCHIA DELL’ORGANIZZAZIONE BIOLOGICA 3- Tessuto 6- Organismo 5- Sistema 4- Organo 1- Molecola 2- Cellula

BASE CELLULARE DELLA VITA La cellula è l’unità strutturale e funzionale degli organismi viventi. Struttura minima in grado di compiere tutte le attività minime della vita. cellula EUCARIOTA cellula PROCARIOTA

Teoria cellulare (Schleiden e Schwann 1839 Virchow 1859): 1. tutti i viventi sono costituiti di cellule 2. le cellule sono unità in cui avvengono i processi vitali 3. “Omnis cellula e cellula”, ogni cellula deriva da un’altra cellula, capacità riproduttiva Weismann 1880 Importante corollario: tutte le cellule viventi hanno una origine in comune Teoria cellulare Schleiden botanico tedesco Theodor Schwann, a German cytologist and physiologist Vircow era un medico patologo che per primo studiò le cellule patologiche al microscopio Weismann: biologo tedesco, secondo grande teorico dell’evoluzionismo del 19° sec. dopo Darwin (1809-1882). Il primo a parlare di cellule somatiche e germinali distinguendole Rifiutare la teoria della generazione spontanea o abiogenesi (Aristotele): Redi 1626-1697 Spallanzani 1729-1799 brodo sigillato e bollito: obiezione perde il fluido vitale Pasteur 1822-1895: con il famoso La cellula come UNITA’ CONCETTUALE dei viventi come l’atomo lo è della materia

Strutture Funzioni Unità Diversità ORDINE ED ORGANIZZAZIONE STRUTTURALE Strutture Funzioni Unità Diversità Una struttura non è una realtà statica e definita nel tempo: continua trasformazione INTEGRAZIONE FUNZIONALE TRA LE PARTI Cellule diverse per: Posizione reciproca degli organuli Dimensioni e volume occupato Numerosità relativa degli stessi

Le forme cellulari sono le più varie:

L’evoluzione ha portato ad organismi pluricellulari Ciò ci fa ragionare su: 1) natura modulare degli organismi 2) presenza di una copia del patrimonio genetico in ogni cellula dell’organismo Azione modulare a tutti i livelli: molecole (es.azione di complessi multiproteici), Tessuti fatti di più cellule, organismo fatto da più cellule NATURA INTRENSECAMENTE MODULARE DELLA VITA: LE CELLULE OGNUNA CON UNA COPIA DEL GENOMA IL ciclo di un individuo passa attraverso 1 cellulatante cellule una cellula cellule e così via La struttura pluricellulare è utile in tante situazioni: si possono perdere un certo numero di cellule senza mettere a repentaglio l’individuo. Alcune cellule logorate possono essere ripristinate in modo autonomo La fase di accrescimento può non turbare il piano generale del corpo Per motivi simili le macchine sono di norma costruite sulla base di un piano modulare, ma nessun congegno porta in sé, nei singoli moduli, le istruzioni per mantenersi e funzionare Consentire una selettività/specificità nei contenuti Incredibile grado di conservazione in strutture e meccanismi Confinare i processi metabolici differenti e le proteine in compartimenti diversi: compartimenti specializzati ed integrazione tra essi Consentire l’azione localizzata di complessi multienzimatici dinamici

Le cellule si sono originate grazie alla formazione di membrane

Membrane biologiche Importanza biologica Definizione: “Pellicola oleosa sottilissima” Membrana plasmatica Membrane interne 1) Concetto di membrana: importanza biologica teoria cellulare rottura della simmetria 2) Definizione: pellicola oleosa sottilissima Osservare spessore doppio strato lipidico ca. 5nm (50 atomi) 3) Organizzazione: Membrana plasmatica Membrane interne 4) Unità nella diversità Unità nella diversità

Struttura e funzione

Struttura: modello a mosaico fluido - Cosa significa? A) Fluidità delle membrane sistema dinamico B) Le membrane sono MOSAICI strutturali e funzionali Le proteine delle membrane sono di diversi tipi e quindi con funzioni diverse

Mantenere una permeabilità altamente selettiva Trasporto regolato in modo attivo Trasporto di membrana molecole piccole molecole grosse trasporto passivo trasporto attivo (con pompe o cotrasportatori) endocitosi esocitosi diffusione semplice diffusione facilitata (da canali o permeasi)

Tutte le caratteristiche di una cellula dipendono dalle molecole che contiene

cellula organuli strutture sopra-molecolari macromolecole molecole organiche piccole

COSTITUENTI CHIMICI DELLA CELLULA INORGANICI ACQUA SALI MINERALI ORGANICI GLUCIDI LIPIDI PROTEINE ACIDI NUCLEICI - DNA - RNA

Cellula batterica PROTEINE (15%)

? POLIMERI = grandi molecole costituite dall’unione di molte subunità identiche o simili MONOMERI ENORME VARIABILITA’ nella cellula, tra cellule, tra individui, tra specie ? pochi monomeri di base (40-50 tipi) varia la SEQUENZA per grandi lunghezze variabilità potenziale infinita logica: piccole molecole comuni a tutti gli organismi ordinate a formare macromolecole peculiari

Polimero NON INFORMATIVO POLISACCARIDE come il glicogeno GGGGGGGGGGGG POLIMERO INFORMATIVO PROTEINE ed ACIDI NUCLEICI ARPE RAPE PERA

PROTEINE dal greco “al 1° posto” più del 50% del peso secco degli organismi viventi molecole informazionali, polimeri di aminoacidi molecole estremamente varie dal punto di vista funzionale NH3+ COO- H R C gruppo aminico carbossilico catena laterale La funzione di una proteina dipende dalla specifica CONFORMAZIONE NATIVA

FUNZIONI DELLE PROTEINE STRUTTURALI CONTRATTILI DI TRASPORTO DI DIFESA ENZIMATICHE ORMONALI RECETTORIALI

acido desossiribonucleico ACIDI NUCLEICI DNA RNA DNA acido desossiribonucleico RNA acido ribonucleico = POLIMERI DI NUCLEOTIDI P ZUCCHERO PENTOSO BASE AZOTATA 1’ 2’ 3’ 4’ 5’

Le istruzioni biologiche (o progetto interno della cellula) sono contenute nel DNA. L’informazione biologica è contenuta in una sequenza di 4 nucleotidi entro la molecola di DNA A G T C In analogia all’alfabeto e ai messaggi verbali: ARPE RAPE PERA con 4 lettere ottengo, dalle diverse sequenze, diversi significati!

Nel “libro” DNA, le pagine sono scritte in codice TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCA GENE Nel “libro” DNA, le pagine sono scritte in codice Oggi si conviene che questo testo non sia di semplice lettura e possa contenere più codici di cui siamo ancora all’inizio nella interpretazione Una pagina molto interessante della storia della biologia/genetica è stata quella di interpretare il codice genetico: 1964. Ma oggi trapelano altri codici altri sistemi superiori che possono poi materialmente organizzare la lettura di questo testo e di questi ne parleremo molto sia in biologia che in genetica.

L’informazione genetica? Dove è scritta l’informazione genica: DNA Cromatina / cromosomi Nucleo eucariotico Come è organizzata l’informazione genica: Genoma Geni - come concetto - “struttura del gene eucariota tipo” Come si esprime l’informazione genica: Trascrizione e Traduzione Codice genetico Meccanismi di CONTROLLO della espressione genica

nel DNA sono codificate le istruzioni che programmano filamento di DNA doppia elica di DNA doppio filamento di DNA costruzione del nucleotide nel DNA sono codificate le istruzioni che programmano tutte le attività cellulari COMPLEMENTARIETA’ DELLE BASI Struttura e funzione

NUCLEO Lamina cromatina nucleare cromatina reticolo endoplasmatico nucleolo m. nucleare interna m. nucleare esterna

CROMATINA La cromatina è un complesso tra DNA eucariotico e proteine. Le proteine principali sono gli istoni Il grado di condensazione varia durante il ciclo vitale della cellula, nucleo interfasico: Eucromatina Eterocromatina

core = ottamero istonico fibre di cromatina di 30 nm: nucleosomi breve regione di DNA scaffold proteico cromatina a “collana di perle” core = ottamero istonico fibre di cromatina di 30 nm: nucleosomi impaccati domini ad ansa legati ad un supporto proteico nucleosoma IL livello di ripiegamento successivo a quello della fibra a30nm è rappresentato da un ripiegamento della struttura in DOMINI AD ANSA Che mostrano una lunghezza media di 50000- 100000 bp. Questa struttura è stabilizzata dall’aggangio ad uno scaffold (IMPALCATURA) di proteine al quale sono legate le anse riavvolgimento ulteriore cromosoma in metafase

Eucromatina attivamente espressa cioè trascrivibile Eterocromatina inattiva cioè non trascrivibile Può essere però di 2 tipi: costitutiva sequenze mai trascritte facoltativa sequenze non trascritte in alcune cellule, varia secondo l’attività trascrizionale del tipo cellulare.

Come è organizzata l’informazione? Una enorme quantità di informazione dentro ad ogni singola cellula: il GENOMA Aprendo ogni libro si trovano brani così scritti: …..ATCCGAGCTTTACGTACGGTTACCGGATCGAGCATACT……

il complesso dell'informazione genetica di una cellula Genoma il complesso dell'informazione genetica di una cellula la massa totale del DNA cellulare il patrimonio ereditario dell'organismo a cui appartiene

Organizzazione generale del genoma umano Il genoma umano è distribuito in cromosomi: 22 AUTOSOMI 1 ETEROCROMOSOMA (X o Y) Corredo aploide 3.200.000.000 bp ovvero 3,2 Gbp Contenenti, si stima, circa 25000 geni

UNA REGIONE DI DNA TRASCRITTA Gene - come concetto GENE IL GENE È UNA REGIONE DI DNA TRASCRITTA

Gene - struttura ESONI (in giallo), intervallate da lunghi INTRONI (in grigio) PROMOTORE DNA TATA E 1 I 1 E 2 I 2 E 3 -25 +1 Trascritto Primario o pre-mRNA Esone 1 Esone 2 Esone 3 AUG UGA mRNA AUG UGA 5’ UTR 3’ UTR Proteina NH2 COOH

Immagine mentale della attivazione dei geni lungo il DNA: I geni lungo il DNA sono come “luci di Natale” lungo la matassa dei fili: si accendono e si spengono ad intermittenza e con una intensità che va da MASSIMA luminosità a MINIMA luminosità e può essere modulata cioè regolata

DNA 1. Ereditarietà 2. Controllo cellulare IL DNA HA UN DUPLICE RUOLO: informazioni trasmesse alla progenie espressione delle informazioni: DNA RNA PROTEINE DNA DNA

unità responsabili delle caratteristiche ereditarie. I geni sono le unità responsabili delle caratteristiche ereditarie. Un carattere è in generale un aspetto dell'oggetto che osserviamo. Desamparados-“Abbandonati” Picasso, 1917

Che ruolo assolve l’RNA nel flusso di informazione genetica dal DNA alle proteine? Esemplificazione del flusso di informazione genetica: DNA RNA proteine replicazione o duplicazione trascrizione della informazione traduzione

ESPRESSIONE DELLA INFORMAZIONE BIOLOGICA DNA dal progetto alla costruzione proteina

ESPRESSIONE della INFORMAZIONE GENETICA L’informazione genetica, contenuta nel DNA, ha lo scopo di: 1) mantenere lo stato vitale (strutture e funzioni) 2) realizzare l’adattamento (risposta ad un cambiamento) 3) determinare il differenziamento (specializzazione di strutture e funzioni)

Sintesi delle proteine 1. Trascrizione Sintesi delle proteine 2. Traduzione tRNA rRNA mRNA

Direzione della trascrizione PROMOTORE Promotore RNA polimerasi Direzione della trascrizione

Codice genetico è un codice a triplette dette “codoni” 43=64 codoni in totale codice genetico anni ‘60

Inizio sintesi proteica Met Inizio sintesi proteica Met Ser 5’ AUG 3’ mRNA Allungamento sintesi proteica Met-Ser Met-Ser-Pro- Thr Pro 5’ 3’ mRNA Terminazione sintesi proteica NH3 COO- Met-Ser-Pro-Thr-...-...-...- STOP! 5’ UGA 3’ mRNA

“Ciclo cellulare” o ciclo di divisione cellulare ciclo riproduttivo della cellula cioè la sequenza ordinata di eventi per cui una cellula duplica il suo contenuto e si divide Negli organismi pluricellulari avviene per consentire: 1) sviluppo dalla prima cellula (zigote), 2) rinnovamento delle cellule che muoiono nell’adulto 3) riparazione a eventi accidentali di perdita cellulare

Descrizione del ciclo di divisione cellulare 6 - 8 ore 8-10 ore 4 - 6 ore La fase G1: fase di maggior durata (10-11 ore in media) la cellula controlla ambiente est. e proprie dimensioni controllo importante, prima dell’ingresso in S punto di restrizione (o START!) oltrepassato il quale la cell. si divide.ù Fase S (o di sintesi): in media dura 7-9 ore attività preminente la duplicazione del DNA la sintesi proteica è limitata alle proteine della cromatina Fase G2 (o gap2, intervallo 2): in media dura 3-4 ore intervallo di sicurezza per verificare se la duplicazione sia avvenuta e sia stata completata Interfase = G1+S+G2 30 - 45 min Mitosi (M) è il processo di divisione nucleare che ultima con la citocinesi o citodieresi ovvero la divisione del citoplasma

M FASE S Sintesi o duplicazione del DNA Replicazione del DNA o duplicazione del DNA, meccanismo atto a mantenere invariato il patrimonio informativo ed è indispensabile premessa di ogni processo di divisione cellulare.

Avviene sulla base della complementarietà delle basi DUPLICAZIONE DNA A C G T T G C A Avviene sulla base della complementarietà delle basi Meccanismo molecolare SEMICONSERVATIVO A C G T T G C A A C G T T G C A

Cosa sono i cromosomi? Molecole di DNA! dicromatidici DUPLICAZIONE DEL DNA Dimensioni medie: 2nm diametro 8 cm lunghezza Li vediamo solo quando: 1 µm di diametro alcuni µm di lunghezza

2n 23 23 Con eccezione delle cell. germinali, le cellule umane hanno CORREDO CROMOSOMICO DIPLOIDE CON DUE SERIE DI CIASCUN CROMOSOMA 2n Con eccezione delle cell. germinali, le cellule umane hanno due copie di ognuno dei cromosomi: uno di origine materna ed una di origine paterna 23 coppie di cromosomi 46 cromosomi Corredo cromosomico DIPLOIDE

DA 1 CELLULA SI OTTENGONO 2 CELLULE GENETICAMENTE DIVISIONE CELLULARE MITOSI CELLULE SOMATICHE 2n CORREDO CROMOSOMICO DIPLOIDE 2n CORREDO CROMOSOMICO DIPLOIDE DA 1 CELLULA SI OTTENGONO 2 CELLULE GENETICAMENTE UGUALI TRA LORO E ALLA CELLULA MADRE

RISULTATO DELLA MEIOSI: MEIOSI I Profase Metafase Anafase Telofase citodieresi 2n CELLULA DIPLOIDE DIVISIONE RIDUZIONALE n MEIOSI II Profase Metafase Anafase Telofase citodieresi DIVISIONE EQUAZIONALE n RISULTATO DELLA MEIOSI: 4 CELLULE APLOIDI DIVERSE TRA LORO E ALLA CELL MADRE

Significato della MEIOSI 1) Porta alla APLOIDIA, premessa indispensabile per la fecondazione (unione di 2 patrimoni ereditari diversi) 2) Il crossing over e l’assortimento indipendente dei cromosomi portano ad un rimescolamento del patrimonio ereditario di ogni singolo gamete rispetto a quello dell’organismo che lo produce

Gameti aploidi (n = 23) MEIOSI FECONDAZIONE GONADI Zigote diploide (2n = 46) Mitosi e sviluppo Adulti pluricellulari diploidi (2n = 46)

ASSORTIMENTO INDIPENDENTE VARIABILITA’ GENETICA CROSSING OVER ASSORTIMENTO INDIPENDENTE (METAFASE I) FECONDAZIONE MEIOSI

Riproduzione sessuata o gamica “Sessualità” indica un processo di ricombinazione genica. Riproduzione sessuata o gamica quando RIPRODUZIONE, cioè la formazione di un nuovo organismo è accompagnata da SESSUALITA’, cioè l’organismo figlio ha una combinazione genica diversa da quella dagli organismi che lo hanno generato

FECONDAZIONE unione dei due gameti

EREDITARIETA’ DELLA INFORMAZIONE BIOLOGICA ORDINE INFORMAZIONE sono necessarie ISTRUZIONI che devono essere CONSERVATE e TRASMESSE

BIOLOGIA è la scienza della vita che indaga le caratteristiche dei sistemi viventi biologia animale biologia cellulare biologia molecolare

Max Perutz, Nobel, biochimico scienza: da scire = conoscere Max Perutz, Nobel, biochimico “fare una scoperta è come innamorarsi e, allo stesso tempo, raggiungere la vetta di un monte dopo una difficile scalata, è un’estasi provocata non da una droga, ma dalla rivelazione di un volto della natura che nessuno ha mai scorto prima”