Biologia - Dispensa lezione 1

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”, EdiSES

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
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
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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

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
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
H2O
(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 H2O. 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 H2O. Un
atomo di idrogeno dell’acqua attacca un monomero e il
gruppo ossidrile lega il monomero adiacente
H2O
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
C6H12O6
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 C1 e gruppo ossidrilico sul
C5
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
fruttosio
lattasi
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 O2. 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 (pH 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 tre 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
H2O
passaggio del solvente (acqua) ma non di
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 che recano sia il
gruppo aminico (-NH2) 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:
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)
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 100 a 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
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…
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
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 O2, alta %CO2
Scapanus orarius
Una mutazione nell’emoglobina (cambiamento di 1 aa) aumenta la
sua affinità per la CO2 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 che 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
(DeoxyriboNucleic
l’informazione
ereditaria,
Acid)
la
contiene
trasferisce
alle
generazioni successive (eccezione retrovirus) e,
attraverso un intermedio a RNA (RiboNucleic 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 0.34nm
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
69
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
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
mRNA
rRNA
tRNA
72
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
73