SAPERI MINIMI DI BIOLOGIA Antonella Sangalli Dipartimento di

SAPERI MINIMI DI BIOLOGIA Antonella Sangalli Dipartimento di Scienze della Vita e della Riproduzione, Sezione di Biologia e Genetica 1

Testi suggeriti ¯ 1_ Bonaldo P, Duga S, Pierantoni R, Riva P, Romanelli MG “Biologia e genetica”, Edi. SES ¯ 2 a_ Estratto da Mason KA, Losos JB, Singer SR Biologia basato sull’opera di Raven PH, Johnson GB “Biologia Cellulare”, Piccin editore ¯ 2 b_Estratto da Mason KA, Losos JB, Singer SR Biologia basato sull’opera di Raven PH, Johnson GB “Genetica e Biologia Molecolare”, Piccin editore 2

Informazioni Date e orario di lezioni ed esami sulla pagina Tandem 2014 -2015 ¯ Diapositive sulla pagina Tandem 2014 -2015 ¯ A fine corso vi verrà distribuito un questionario di valutazione dello stesso ¯ Firma presenze ¯ 3

Modalità esame Scritto ¯ 30 domande a risposta multipla (esempio di quiz sul sito tandem) ¯ 2 appelli (è possibile iscriversi anche al secondo se non si supera il primo, o se si vuole migliorare il voto) ¯ 4

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 5

Lezione 1 Molecole biologiche nella cellula 6

Le sostanze presenti nei viventi ¯ ¯ ¯ Gli esseri viventi terrestri 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) 7

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 8

Le sostanze presenti nei viventi H 2 O (50 -90%) Savada D et al. , Elementi di biologia e genetica 9

I polimeri ¯ Le macromolecole di carboidrati, proteine e acidi nucleici sono molecole a lunga catena (polimeri) costituite da numerose subunità (monomeri) identiche o simili unite da legami covalenti 10

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 H 2 O. Ogni volta che si forma un legame uno dei monomeri perde un gruppo ossidrile, l’altro un atomo di idrogeno Reazione catalizzata da polimerasi 11

Sintesi e degradazione dei polimeri Reazione di idrolisi: rottura dei legami covalenti tra monomeri per aggiunta di una molecola di H 2 O. Un atomo di idrogeno dell’acqua attacca un monomero e il gruppo ossidrile lega il monomero adiacente H 2 O Reazione catalizzata da idrolasi 12

CARBOIDRATI Molecole che contengono atomi di carbonio affiancati da atomi di idrogeno e gruppi ossidrilici (H-C-OH)n (C: H: O = 1: 2: 1)

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) ¯ Legati a proteine o lipidi costituiscono antigeni di superficie ¯ 14

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 Esoso aldoso C 6 H 12 O 6 Esoso chetoso 15

Monosaccaridi 2 In soluzione acquosa le molecole di molti monosaccaridi (C>4) assumono una struttura ad anello. La forma ciclica è la più stabile in condizioni fisiologiche. Reazione tra gruppo aldeidico sul C 1 e gruppo ossidrilico sul C 5 16

Monosaccaridi 3 Due pentosi (ribosio e desossiribosio) hanno particolare importanza biologica, in quanto costituiscono parte dello scheletro dell’ RNA e del DNA 17

Disaccaridi Costituiti dall’unione di due monosaccaridi attraverso un legame covalente glicosidico glucosio lattasi fruttosio 18

Lattasi e intolleranza al lattosio La lattasi ha localizzazione intestinale (tenue). La diminuzione nella produzione di questo enzima (in alcuni individui adulti) è legata all’intolleranza al lattosio. lattasi 19

Lattasi e intolleranza al lattosio ¯ In tutte le specie di mammiferi, i geni per la digestione del latte vengono silenziati subito dopo lo svezzamento (lattasi non più necessaria ed è costoso produrla) ¯ Una parte della popolazione umana attuale è in grado di digerire questo alimento anche in età adulta Global distribution of lactose intolerance + - 20

Lattasi e intolleranza al lattosio ¯ Una mutazione casuale insorta c. a. 7500 anni fa in Europa centrale ha consentito la persistenza della lattasi ¯ Una mutazione casuale indipendente (ma con uguale effetto sul fenotipo) è insorta nelle popolazioni africane nello stesso periodo ¯ In h. sapiens con l’introduzione della pastorizia (c. a. 10 000 anni fa) il latte diventa alimento anche per gli adulti; diventa vantaggioso mantenere lattasi attiva anche nell’adulto; la pressione selettiva fa aumentare la frequenza del carattere “persistenza dell’enzima” nella popolazione . Darwin in un bicchiere di latte. Le scienze n° 531, Novembre 2012 http: //pikaia. eu/levoluzione-della-tolleranza-al-latte-tra-gli-africani/ http: //pikaia. eu/Il-viaggio-della-lattasi/ 21

Ötzi, la mummia del Similaun, intollerante al lattosio 5000 anni fa Gruppo sanguigno 0, probabili occhi marroni Predisposizione genetica a malattie coronariche Infettato da Borrelia burgdorferi 22

Lattasi e fermentazione lattica Metabolismo energetico che avviene in alcuni batteri e nella cellula animale in assenza di O 2. Consiste nella trasformazione del glucosio in acido lattico ¯ Batteri lattici (L. bulgaricus, L. casei, Bifidobacterium bifidum) ¯ Idrolisi lattosio con la lattasi (glucosio + galattosio) ¯ Fermentazione lattica ¯ Produzione yogurt, flora intestinale (p. H acido impedisce proliferazione di batteri patogeni) 23

Polisaccaridi Macromolecole lineari o ramificate formate dalla polimerizzazione di monosaccaridi uniti da legami glicosidici (amido, glicogeno, cellulosa, chitina) Amilosio, amilopectina, glicogeno, cellulosa: polimeri del glucosio. Cambia il tipo di legame tra i monomeri e il grado di ramificazione. 24

Polisaccaridi strutturali ¯ Chitina: polimero di N-acetilglucosammina esoscheletro artropodi parete cellulare di funghi e batteri ¯ Cellulosa: polimero del glucosio pareti cellule vegetali degradata (cellulasi) da alcuni batteri, funghi e protozoi 25

Erbivori che “digeriscono” la cellulosa Ruminanti: microrganismi simbionti nello stomaco che digeriscono la cellulosa Lo stomaco è diviso in quattro parti: rumine, reticolo, omaso e abomaso. I vegetali grossolanamente masticati scendono nel rumine, dove i microrganismi simbionti demoliscono la cellulosa. Successivamente, l’impasto vegetale viene rigurgitato in bocca, rimasticato e nuovamente inghiottito. Questa volta, però, il cibo passa nelle altre camere, dove viene ulteriormente demolito, e da qui nell’intestino dove il glucosio proveniente dalla digestione della cellulosa viene assorbito. 26

Erbivori che “digeriscono” la cellulosa Conigli e roditori: batteri simbionti nell’intestino cieco. Topi e conigli ingeriscono le proprie feci, in cui sono contenuti i prodotti di digestione della cellulosa per assorbirli a livello intestinale a un secondo passaggio, evitando perdita di nutrienti inizialmente eliminati. Batteri simbionti Assorbimento nutrienti 27

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? ¯ 28

Osmosi 1 ¯ 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 H 2 O determinati soluti (es. zuccheri) 29

Osmosi 2 ¯ ¯ ¯ 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 Abbassando il n° netto di molecole (da G a glicogeno) diminuisce la pressione osmotica nella cellula Cellula che accumula G monomero 30

Osmosi 3 Con la polimerizzazione il numero di molecole all’interno della cellula viene riportato uguale a quello dell’ambiente extracellulare glicogeno/amido Ambiente extracellulare cellula 31

LIPIDI Idrocarburi insolubili in acqua a causa dei loro numerosi legami covalenti apolari ¯ Non costituiscono polimeri ¯ Grassi e oli (grassi neutri/gliceridi): deposito energetico ¯ Fosfolipidi: funzione strutturale nelle membrane biologiche ¯ Steroidi: funzione di regolazione, strutturale, digestiva ¯ 32

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. ¯ 33

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 polare apolare 34

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 (oli) 35

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, che devono portare sempre con sé i propri depositi di energia, risulta vantaggioso che tali depositi siano concentrati; le riserve energetiche a lungo termine vengono depositate sotto forma di lipidi nelle cellule adipose 36

Riserve energetiche glicogeno ¯ Le riserve di glicogeno degli animali servono solo per le “emergenze” ¯ Le riserve muscolari sono quasi doppie rispetto a quelle del fegato, ma in entrambi i casi sono a breve termine: subiscono drastiche riduzioni in caso di esercizio fisico o di digiuno ¯ Il glicogeno muscolare serve come fonte di energia del lavoro meccanico, quello epatico a regolare la glicemia ¯ Il grosso delle riserve energetiche (in termini di Kcal quasi 200 volte in più) è costituito dai lipidi 37

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 38

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 39

Membrana cellulare ¯ Le membrane sono formate da un doppio strato di fosfolipidi anfipatici 40

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) 41

PROTEINE ¯ ¯ Singolo polimero non ramificato di aminoacidi (catena polipeptidica) che si ripiega in una specifica struttura tridimensionale Aminoacidi: molecole organiche recano sia il gruppo aminico (-NH 2) che quello carbossilico ( -COOH) Carbonio a R: gruppo laterale differisce in ciascuno dei 20 aa 42

Aminoacidi I 20 amminoacidi possono essere divisi in gruppi a seconda della carica e della polarità delle loro catene laterali: Catene laterali neutre apolari Catene laterali neutre polari Catene laterali cariche acide Catene laterali cariche basiche 43

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 44

Struttura primaria La sequenza aminoacidica della catena polipeptidica costituisce la struttura primaria di una proteina 45

Numero teorico di polipeptidi diversi: 20 n (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) 46

Struttura tridimensionale ¯ La particolare sequenza aminoacidica di ogni proteina ne determina la struttura tridimensionale ¯ La conformazione di una proteina ne determina la funzione ¯ Qualsiasi cambiamento della sequenza aa (mutazione) può avere effetti drastici sulla sua funzione Ligando-recettore Substrato-enzima 47

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 numerosi legami a idrogeno tra gli aminoacidi che costituiscono la struttura primaria. 48

Struttura secondaria 2 ¯ a elica: è 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. 49

Struttura secondaria 3 b sheet: due o più regioni di una singola 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 50

La presenza di numerosissimi legami idrogeno nei foglietti beta della seta del ragno rende ogni fibra della seta più resistente di un filo d’acciaio dello stesso peso (nonostante il legame H a livello molecolare sia da 1000 volte più debole del legame metallico) 51

GFP myoglobin Aequorea victoria 52

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) 53

Interazioni deboli con un grande effetto Le interazioni di van der Waals tra le molecole presenti all’apice delle setole sulle dita e quelle della superficie del muro sono così numerose che, sebbene prese individualmente siano estremamente deboli, nel loro complesso sono 54 sufficienti a sostenere il peso del geko

Struttura della 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 formare dimero. A loro volta i dimeri si associano attraverso la formazione di ponti disolfuro a formare protofilamenti, poi filamenti… 55

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 H ossidazione H dimero

Permanente B 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 57 fibre)

Struttura quaternaria Alcune proteine sono costituite dall’aggregazione di più catene polipeptidiche (subunità) 58

Hb adattate a vita sotterranea Bassa tensione di O 2, alta %CO 2 Scapanus orarius Una mutazione nell’emoglobina (cambiamento di 1 aa) aumenta la sua affinità per la CO 2 aumentando la velocità con cui l’organismo si 59 libera del gas tossico

Effetto di una mutazione puntiforme sulla struttura della proteina 60

Proteine funzioni ¯ ¯ ¯ ¯ Proteine enzimatiche catalizzano le reazioni chimiche (lattasi) Proteine strutturali (cheratina, collageni, distrofina, seta) Proteine di trasporto di piccole molecole (emoglobina, albumina) Proteine ormonali (insulina, paratormone) Proteine recettoriali (recettore dell’insulina) Proteine contrattili (actina, miosina) Proteine di difesa (anticorpi) riconoscono molecole estranee (antigeni) … 61

ACIDI NUCLEICI ¯ Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi e sono specializzati nella conservazione, trasmissione e uso dell’informazione genetica ¯ DNA (Deoxyribo. Nucleic l’informazione ereditaria, Acid) la contiene trasferisce alle generazioni successive (eccezione retrovirus) e, attraverso un intermedio a RNA (Ribo. Nucleic Acid), specifica la sequenza aminoacidica delle proteine 62

Nucleotidi 5’ 3’ Zucchero pentoso + gruppo fosfato + base azotata 63

Perché negli acidi nucleici non c’è il glucosio? Gli zuccheri a 6 atomi di C sono molto più comuni in natura, allora perché ribosio? Analisi di DNA sintetico realizzato con glucosio ha evidenziato che tale molecola: permette appaiamenti «non canonici» (AA e GG) non è in grado di appaiarsi con RNA quindi non è adatto a conservare e trasmettere l’informazione genetica 64

DNA vs RNA, composizione ¯ Pentoso ¯ Basi azotate DNA RNA 65

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) 66

Condensazione 5’ 3’ 67

DNA doppio filamento Due catene lineari antiparallele 68

DNA struttura 1 ¯ ¯ ¯ Doppia elica Distanza tra due coppie di basi 0. 34 nm 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 69

DNA struttura 2 … mentre le basi azotate di ciascun filamento si appaiano nella parte centrale dell’elica secondo le regole della complementarietà 2 nm G ≡ C: 3 legami H A = T: 2 legami H 70

DNA vs RNA, struttura Doppio filamento con struttura a doppia elica Singolo filamento con possibili regioni di «self pairing» o appaiamento transitorio con DNA o altri RNA 71

RNA struttura m. RNA r. RNA t. RNA 72

RNA funzione ¯ ¯ ¯ m. RNA (messaggero)1 -3% dell’RNA cellulare fornisce le istruzioni (sequenza nucleotidica) per la sintesi delle proteine r. RNA (ribosomale) >80% dell’RNA cellulare componente essenziale dei ribosomi (sintesi proteica) t. RNA (transfer) traduce il linguaggio del messaggero (triplette nucleotidiche) in aminoacidi 73