SAPERI MINIMI DI BIOLOGIA Antonella Sangalli Dipartimento di Scienze della Vita e della Riproduzione, Sezione di Biologia e Genetica

Testi suggeriti 1_ Bonaldo P, Defilippi P, Majone F, Minucci S, Piomboni P, Principato GB, Romanelli MG “Elementi di biologia e genetica”, Monduzzi Editore 2a_ Estratto da Mason KA, Losos JB, Singer SR Biologia basato sull’opera di Raven PH, Johnson GB “Biologia Cellulare”, Piccin editore 2b_Estratto da Mason KA, Losos JB, Singer SR Biologia basato sull’opera di Raven PH, Johnson GB “Genetica e Biologia Molecolare”, Piccin editore

Informazioni Date e orario di lezioni ed esami sulla pagina Tandem 2012-2013 Diapositive sulla pagina Tandem 2012-2013 A fine corso vi verrà distribuito un questionario di valutazione dello stesso Firma presenze

Modalità esame Scritto 30 domande a risposta multipla 2 appelli (è possibile iscriversi anche al secondo se non si supera il primo, o se si vuole migliorare il voto)

Programma del corso Molecole biologiche nella cellula Cellula procariotica ed eucariotica a confronto Cellula eucariotica: membrana plasmatica, organelli Ciclo cellulare, mitosi, meiosi e gametogenesi Cromosomi DNA: struttura e replicazione Trascrizione genica Traduzione Mutazioni

Lezione 1 Molecole biologiche nella cellula Savada D et al., Campbell- Reece, Solomon et al.

Le sostanze presenti nei viventi Gli esseri viventi sono costituiti da sostanze chimiche basate sul carbonio I composti organici sono costituiti da uno scheletro di atomi di carbonio e idrogeno che può legare altri atomi: ossigeno, azoto, zolfo, fosforo La maggior parte dei composti organici degli organismi è rappresentata da macromolecole (polimeri) prodotte attraverso l’unione con legami covalenti di molecole più piccole (monomeri) http://it.wikipedia.org/wiki/Composto_organico C + H idrocarburi Macromolecole: polimeri con PM > 1000 1u = 1/12 della massa del 12C

Molecole biologiche I quattro tipi di grandi molecole che contraddistinguono i viventi sono le proteine, i lipidi, i carboidrati e gli acidi nucleici. La maggior parte di queste molecole biologiche sono polimeri, costituiti da subunità monomeriche unite tra loro; polimeri molto grandi sono chiamati macromolecole

Le sostanze presenti nei viventi H2O (70%) Savada D et al., Elementi di biologia e genetica

I polimeri Le macromolecole di carboidrati, proteine e acidi nucleici sono molecole a lunga catena (polimeri) costituite da numerose subunità identiche o simili (monomeri) unite da legami covalenti In chimica, un legame covalente è un legame chimico in cui due atomi mettono in comune delle coppie di elettroni.

Sintesi e degradazione dei polimeri Reazione di condensazione: il legame fra i vari monomeri avviene mediante una reazione in cui si ha la perdita di una molecola di H2O. Ogni volta che si forma un legame uno dei monomeri perde un gruppo ossidrile, l’altro un atomo di idrogeno Legame covalente Reazione catalizzata da polimerasi

Sintesi e degradazione dei polimeri Reazione di idrolisi: rottura dei legami tra monomeri per aggiunta di una molecola di H2O. Un atomo di idrogeno dell’acqua attacca un monomero e il gruppo ossidrile lega il monomero adiacente H2O Reazione catalizzata da idrolasi

Sintesi e degradazione dei polimeri

CARBOIDRATI Molecole che contengono atomi di carbonio affiancati da atomi di idrogeno e gruppi ossidrilici (H-C-OH)n Glucosio prodotto da fotosintesi e ossidato nella respirazione rapporto C:O:H = 1:1:2 Glucosio carbonile terminale = aldoso Fruttosio carbonile non terminale = chetoso isomeri C6H12O6 C6H12O6

Carboidrati funzione fonte di energia (es. glucosio, polisaccaridi di deposito) fonte di atomi di C per la biosintesi di molecole organiche (aa, acidi grassi) funzione strutturale (cellulosa, chitina)

Monosaccaridi 1 Zuccheri semplici che contengono generalmente da tre (triosi) a sette (eptosi) atomi di carbonio Classificati in base al numero degli atomi di C e alla presenza di un gruppo chetonico o aldeidico Glucosio: esoso, aldoso Fruttosio: esoso, chetoso

Monosaccaridi 2 In soluzione acquosa le molecole di molti monosaccaridi assumono una struttura ad anello. La forma ciclica è la più stabile in condizioni fisiologiche. Reazione tra gruppo aldeidico sul C1 e gruppo ossidrilico sul C5

Monosaccaridi 3 Due pentosi (ribosio e desossiribosio) hanno particolare importanza biologica, in quanto costituiscono parte dello scheletro dell’ RNA e del DNA

Disaccaridi Costituiti dall’unione di due monosaccaridi attraverso un legame covalente glicosidico Posizione dell’OH sul C4 diversa tra glucosio e galattosio glucosio fruttosio lattasi

Lattasi e intolleranza al lattosio La lattasi ha localizzazione intestinale. La diminuzione nella produzione di questo enzima (in alcuni individui adulti) è legata all’intolleranza al lattosio. http://it.wikipedia.org/wiki/Lattasi 90% nord europei digerisce il latte 80% degli europei del sud sono intolleranti, e l’95% dei cinesi lattasi

Lattasi e intolleranza al lattosio L'introduzione del latte nell'alimentazione umana è un fatto cronologicamente piuttosto recente Dalle origini della nostra specie (circa 200 000 anni fa) la capacità di digerire, da adulti, il lattosio contenuto nel latte è legata a una mutazione insorta circa 7500 anni fa (Darwin in un bicchiere di latte. Le scienze n°531, Novembre 2012) http://www.pikaia.eu/EasyNe2/Notizie/Il_viaggio_della_lattasi.aspx http://it.wikipedia.org/wiki/Intolleranza_al_lattosio http://www.molecularlab.it/news/view.asp?n=4953

Ötzi, la mummia del Similaun, intollerante al lattosio http://www.cittaoggiweb.it/notizie-in-rete/29-02-2012/otzi-la-mummia-del-Similaun-intollerante-al-lattosio-e-con-larteriosclerosi_40555.html http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n2/full/ncomms1701.html 5000 anni

Polisaccaridi Macromolecole lineari o ramificate formate dalla polimerizzazione di monosaccaridi uniti da legami glicosidici (amido, glicogeno, cellulosa, chitina) Amido: leg a-glicosidico Cellulosa: leg b-glicosidico Amilosio, amilopectina, glicogeno, cellulosa: polimeri del glucosio. Cambia il tipo di legame tra i monomeri e il grado di ramificazione.

Polisaccaridi di riserva Il glucosio è lo zucchero direttamente ossidato per liberare energia Il glicogeno e l’amido sono polimeri del glucosio (G)n, dove n può raggiungere le centinaia di unità Perché il G deve essere immagazzinato nelle cellule come polimero? Perché la cellula non accumula il glucosio monomero?

Osmosi L’osmosi è quel  fenomeno per cui si assiste al movimento di acqua da una soluzione meno concentrata a una soluzione più concentrata, attraverso una membrana semipermeabile Membrana semipermeabile permette il passaggio del solvente (acqua) ma non di determinati soluti (es. zuccheri) Le membrane cellulari sono semipermeabili La pressione osmotica dipende dal numero di molecole in soluzione, non dalle loro dimensioni, quindi 100 molecole di G esercitano una pressione osmotica 100 volte superiore a una singola molecola di glicogeno formata da 100 molecole di glucosio H2O Per cellule prive di parete

LIPIDI Idrocarburi insolubili in acqua a causa dei loro numerosi legami covalenti apolari Grassi e oli (grassi neutri/gliceridi): deposito energetico Fosfolipidi: funzione strutturale nelle membrane biologiche Steroidi: funzione di regolazione, strutturale, digestiva Gliceridi solidi a RT grassi Gliceridi liquidi a RT oli

Trigliceridi I trigliceridi sono i gliceridi più comunemente presenti in grassi animali e vegetali Costituiti da una molecola di glicerolo (alcol a tre atomi di carbonio) unita a tre molecole di acido grasso. Legame estereo

Acidi grassi 1 L’acido grasso è costituito da una lunga catena idrocarburica non ramificata alla cui estremità si trova un gruppo carbossilico (-COOH) Acidi grassi saturi: tutti i legami sono saturati da atomi di H. Le molecole risultano rigide e si impacchettano tra di loro. I grassi ricchi di ac. grassi saturi tendono ad essere solidi a temperatura ambiente I trigliceridi dei grassi animali tendono a contenere molti acidi grassi saturi a lunga catena impacchettati strettamente tra loro. Di solito sono solidi a temperatura ambiente.

Acidi grassi 2 Acidi grassi insaturi: la catena idrocarburica contiene uno o più doppi legami che introducono delle “pieghe” nella molecola. Le pieghe impediscono alle molecole dei grassi insaturi di allinearsi con le molecole adiacenti. I lipidi contenenti ac. grassi insaturi tendono ad essere fluidi a temperatura ambiente.

Acidi grassi 3 I trigliceridi dei grassi animali tendono a contenere molti acidi grassi saturi a lunga catena impacchettati strettamente tra loro. Di solito sono solidi a temperatura ambiente. http://www.elicriso.it/it/animali_regno/physeter_macrocephalus/ http://www.dietabit.it/alimentazione/grassi/ http://it.wikipedia.org/wiki/Physeter_macrocephalus http://www.nature.com/nature/journal/v198/n4885/abs/1981086b0.html

Riserve energetiche Un grammo di grassi producono una quantità di energia più che doppia rispetto a quella contenuta in un grammo di amido Le piante essendo immobili possono permettersi di accumulare pesanti riserve energetiche sotto forma di amido Per gli animali risulta vantaggioso avere depositi energetici concentrati; le riserve energetiche a lungo termine vengono depositate sotto forma di lipidi nelle cellule adipose Le riserve di glicogeno degli animali servono solo per le “emergenze”; quelle muscolari sono quasi doppie rispetto a quelle del fegato e comunque i depositi si esauriscono già dopo un giorno di digiuno. Il glicogeno muscolare serve al muscolo, quello epatico a regolare la glicemia. Il grosso delle riserve energetiche (in termini di Kcal quasi 200 volte) è costituito dai lipidi. (vedi ppt 5-altri carboidrati)

Fosfolipidi 1 Formati da una molecola di glicerolo esterificata da due acidi grassi e legata a un fosfato che a sua volta lega un gruppo organico generalmente azotato Sono molecole anfipatiche Carica elettrica negativa

Fosfolipidi 2 In presenza di acqua le estremità polari idrofile si dispongono verso l’ambiente acquoso, mentre le code apolari idrofobe si orientano in direzione opposta

Membrana cellulare Le membrane sono formate da un doppio strato di fosfolipidi anfipatici

Steroidi Composti organici che contengono tre anelli di cicloesano (A, B, C) e un anello di ciclopentano (D) Costituenti delle membrane biologiche (colesterolo), ormoni (sessuali, surrenalici), funzione digestiva (sali biliari) I diversi steroidi si differenziano per la presenza o l'assenza degli atomi di carbonio identificati dai numeri da 18 in su, e per i gruppi funzionali presenti sul resto della struttura.

PROTEINE Singolo polimero non ramificato di aminoacidi (catena polipeptidica) che si ripiega in una specifica struttura tridimensionale Aminoacidi: molecole organiche che recano sia il gruppo aminico (-NH2) che quello carbossilico (-COOH) A ph 7 ioni bipolari (NH3+ e COO-) Carbonio a R: gruppo laterale differisce in ciascuno dei 20 aa

Legame peptidico Gli aminoacidi si uniscono tra loro mediante un legame covalente che si forma tra il carbonio del gruppo carbossilico di un aa e l’azoto del gruppo aminico dell’aa adiacente N-ter, C-ter

Struttura primaria La sequenza aminoacidica della catena polipeptidica costituisce la struttura primaria di una proteina

Numero teorico di proteine diverse 20n (20 numero di aa diversi, n lunghezza del polipeptide) 20 2 (400) dipeptidi diversi 20 3 (8000) tripeptidi diversi ….. Lunghezza delle proteine negli eucarioti minima 110 aa (insulina umana) media c.a. 360 aa massima 27.000 aa (Titine) Brocchieri L. (2005) NAR http://nar.oxfordjournals.org/content/33/10/3390.long http://en.wikipedia.org/wiki/Peptide

Struttura tridimensionale La particolare sequenza aminoacidica di ogni proteina ne determina la struttura tridimensionale La conformazione di una proteina ne determina la funzione Ligando-recettore Substrato-enzima

Strutura secondaria 1 Segmenti di catena polipeptidica avvolti o ripiegati in modo ripetitivo a formare strutture che contribuiscono alla forma complessiva della proteina. Queste configurazioni sono determinate dalla formazione di legami a idrogeno tra gli aminoacidi che costituiscono la struttura primaria. Legami covalenti per la struttura primaria

Struttura secondaria 2 a elica: avvolgimento destrorso. E’ comune nelle proteine strutturali fibrose (cheratine) per quasi tutta la lunghezza del polipeptide. Legami H tra l’ossigeno di un gruppo C=O e il gruppo N-H nel giro successivo dell’elica, a 4 aa di distanza. http://www.scibio.unifi.it/triennali/biochem/proteine/proteins9.html http://alevelnotes.com/Protein-Structure/61

Struttura secondaria 3 b sheet: due o più regioni della catena polipeptidica tra loro parallele vengono a formare una struttura planare attraverso la formazione di legami idrogeno Legami H tra gruppi NH su un segmento della catena e i gruppi C=O sull’altro segmento

Struttura terziaria Le interazioni tra i gruppi R delle catene laterali degli aminoacidi determinano la formazione di ripiegamenti che portano alla formazione di una struttura tridimensionale definita (struttura terziaria)

GFP myoglobin Aequorea victoria Green fluorescent protein (left) is mostly comprised of flat ribbons called beta-sheets, and myoglobin (right) consists primarily of repetitive loops called alpha-helices. Aequorea victoria

Struttura della a cheratina a cheratina è una proteina fibrosa. Nell'uomo è il principale costituente di capelli, peli e unghie, nei mammiferi di peli, artigli e zoccoli. È costituita da alfa eliche destrorse avvolte a due a due a formare dimero. A loro volta i dimeri si associano attraverso la formazione di ponti disolfuro a formare protofilamenti, poi filamenti… http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/568hairwave.html http://it.wikipedia.org/wiki/Cheratina

Ponte disolfuro legame covalente che stabilizza la struttura terziaria della proteina e che si origina per ossidazione di due gruppi SH, ciascuno appartenente a una cisteina ossidazione H H

Permanente Fase 1: trattamento con agente B http://www.scibio.unifi.it/triennali/biochem/proteine/proteins9.html http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19422430 http://www.coolquiz.com/trivia/explain/docs/hair.asp The form and shape the hair takes depends on the shape of the hair follicle. A straight follicle produces straight hair whereas a curved follicle will produce curly hair (http://www.keratin.com/aa/aa031.shtml. http://www.keratin.com/aa/aa002.shtml) Straight hair fiber comes from straight hair follicles with a circular cross section. Curly hairs come from curly hair follicles that have a flattened cross section. Fase 1: trattamento con agente riducente (rottura dei ponti disolfuro) Fase 2: capelli arrotolati su supporto (stiramento delle fibre) Fase 3: trattamento con agenti ossidanti (si riformano i ponti disolfuro in posizione slittata che esercitano una torsione delle fibre)

http://www. scibio. unifi. it/triennali/biochem/proteine/proteins9 http://www.scibio.unifi.it/triennali/biochem/proteine/proteins9.html http://alevelnotes.com/Protein-Structure/61 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19422430 http://www.coolquiz.com/trivia/explain/docs/hair.asp The form and shape the hair takes depends on the shape of the hair follicle. A straight follicle produces straight hair whereas a curved follicle will produce curly hair (http://www.keratin.com/aa/aa031.shtml. http://www.keratin.com/aa/aa002.shtml) Straight hair fiber comes from straight hair follicles with a circular cross section. Curly hairs come from curly hair follicles that have a flattened cross section.

Struttura quaternaria Alcune proteine sono costituite dall’aggregazione di più catene polipeptidiche (subunità) http://www.britannica.com/blogs/2010/08/science-up-front-kevin-campbell-on-the-super-hemoglobin-of-subterranean-moles/

Effetto di una mutazione puntiforme sulla struttura della proteina

Proteine funzioni Proteine enzimatiche (lattasi) Proteine strutturali (cheratina, collageni, distrofina, seta) Proteine di trasporto (emoglobina, albumina) Proteine ormonali (insulina, paratormone) Proteine recettoriali (recettore dell’insulina) Proteine contrattili (actina, miosina) Proteine di difesa (anticorpi) …

ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi e sono specializzati nella conservazione, trasmissione e uso dell’informazione genetica DNA (DeoxyriboNucleic Acid) contiene l’informazione ereditaria, la trasferisce alle generazioni successive e, attraverso un intermedio a RNA (RiboNucleic Acid), specifica la sequenza aminoacidica delle proteine Eccezione uso RNA come materiale genetico in alcuni virus

Nucleotidi Zucchero pentoso + gruppo fosfato + base azotata 5’ 3’ http://it.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Miescher 3’ Zucchero pentoso + gruppo fosfato + base azotata

DNA vs RNA, composizione Pentoso Basi azotate http://www.treccani.it/enciclopedia/base-azotata_%28Enciclopedia_della_Scienza_e_della_Tecnica%29/ DNA RNA

Struttura Le molecole degli acidi nucleici sono costituite da catene lineari di nucleotidi uniti tra di loro da un legame covalente tra il carbonio 3’ dello zucchero di un nucleotide e il gruppo fosfato in posizione 5’ dello zucchero del nucleotide adiacente (legame fosfodiesterico)

Struttura 3’ 5’

DNA doppio filamento Due catene lineari antiparallele

DNA vs RNA, struttura RNA ss ma ci possono essere regioni di appaiamento self o con altre molecole (es. DNA)

DNA struttura 1 Distanza tra due coppie di basi 0.34nm Passo dell’elica 3.4 nm (1 giro = 10 bp) Diametro dell’elica 2 nm Filamenti dell’elica sono antiparalleli Lo scheletro zucchero-P costituisce l’impalcatura esterna dell’elica… 2 nm

DNA struttura 2 … mentre le basi azotate di ciascun filamento si appaiano nella parte centrale dell’elica secondo le regole della complementarietà 2nm G ≡ C: 3 legami H Il diametro si mantiene costante perché le purine si appaiano alle pirimidine A = T: 2 legami H

DNA struttura 2 … mentre le basi azotate di ciascun filamento si appaiano nella parte centrale dell’elica secondo le regole della complementarietà 2nm G ≡ C: 3 legami H Il diametro si mantiene costante perché le purine si appaiano alle pirimidine A = T: 2 legami H

RNA struttura mRNA rRNA tRNA http://www.mun.ca/biology/scarr/rRNA_folding.html

RNA funzione mRNA (messaggero)1-3% dell’RNA cellulare fornisce le istruzioni (sequenza nucleotidica) per la sintesi delle proteine rRNA (ribosomale) >80% dell’RNA cellulare componente essenziale dei ribosomi (sintesi proteica) tRNA (transfer) traduce il linguaggio del messaggero (triplette nucleotidiche) in aminoacidi http://www.sabiosciences.com/newsletter/RNA.html