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Riparazione del DNARiparazione del DNA

Il mantenimento dell'integrità del materiale genetico èfondamentale per la sopravvivenza dell'organismoNegli Eucarioti multicellulari mutazioni nelle cellulesomatiche possono provocare tumoriMutazioni nelle cellule germinali vengono trasmesse

alla progenie ed hanno spesso effetti negativiNei Procarioti e negli Eucarioti esistono complessi meccanismi per prevenire e riparare le mutazioni

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Meccanismi di riparazione del danno al DNA

Riparazione diretta: fotoriparazione

Riparazione per escissione di basi (excision repair): la regione di DNA danneggiato viene escissa e sostituita con una di nuova sintesi

Riparazione post-replicativa (mismatchrepair, recombination repair)

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Types and Frequency of DNA Damage

TYPE OF DAMAGE events/cell/day % of total daily damage

Single-strand break 120,000 50.9

N7-MethylGuanine 84,000 35.6

Depurination 24,000 10.2

O6-MethylGuanine 3,120 1.3

Oxidized DNA 2,880 1.2

Depyrimidation 1,320 0.5

Cytosine deamination 360 0.2

Double-strand breaks 9 0.01

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Fotoriparazione: riparazione dei danni da raggi UV (Procarioti, Eucarioti inferiori)

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Excision repair: escissione di nucleotidi (Procarioti, Eucarioti)

Viene rimosso il filamento di DNA che contiene la/le basi danneggiateEndonucleasi (UvrA, B, C)Elicasi (UvrD)DNA polimerasi IDNA ligasi

8

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Danni riparati dal sistema di “excision repair”:

• Lesioni ossidative (8-oxoG)

• Desossiuracile (deaminazione della citosina)

• Prodotti di alchilazione

• Depurinazione spontanea

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RIPARAZIONE POST-REPLICATIVA

1. Riparazione dei malappaiamenti(mismatch repair)

2. Riparazione ricombinativa(recombination repair)

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Sintesi delle MacromolecoleSintesi delle Macromolecole

E’ indispensabile che venga realizzato un assemblaggio preciso durante la sintesi delle macromolecole polimeriche DNA, RNA e proteine.Per assicurarsi la precisione nella replicazione del DNA l’organismo deve sintetizzare tutte le componenti del complesso replicativo oltre a quelle del sistema di riparazione.Le RNA polimerasi necessarie per la trascrizione sono anch’esse enzimi complessi e sono soggette a processi di revisione, tuttavia la sintesi dell’RNA è meno precisa della sintesi del DNA.

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Una volta ottenuta una buona precisione di Una volta ottenuta una buona precisione di trascrizione, taglio ed elaborazione del trascrizione, taglio ed elaborazione del mRNAmRNA, si , si procede alla traduzione e al montaggio della procede alla traduzione e al montaggio della catena catena polipeptidicapolipeptidica (proteina).(proteina).

La precisione della sintesi macromolecolare La precisione della sintesi macromolecolare èèsotto controllo genetico e questi sono diversi a sotto controllo genetico e questi sono diversi a seconda della specie o del tipo di cellula.seconda della specie o del tipo di cellula.

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Difese contro radicali liberi Difese contro radicali liberi

I radicali liberi sono strutture chimiche che possiedono I radicali liberi sono strutture chimiche che possiedono un elettrone spiato nellun elettrone spiato nell’’orbitale esterno, sono orbitale esterno, sono estrememamenteestrememamente reattivi e molto instabili.reattivi e molto instabili.

Per quanto riguarda il danno biologico i ROS (specie Per quanto riguarda il danno biologico i ROS (specie reattive dellreattive dell’’ossigeno) hanno un ruolo primario: ossigeno) hanno un ruolo primario: reagiscono con molecole inorganiche o organiche reagiscono con molecole inorganiche o organiche comprendenti proteine, lipidi, carboidrati e acidi comprendenti proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici.nucleici.

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Rimozione delle proteine alterateRimozione delle proteine alterate

Nelle cellule le proteine sono soggette ad un ampia Nelle cellule le proteine sono soggette ad un ampia gamma di modificazioni chimiche, tra le quali molte gamma di modificazioni chimiche, tra le quali molte sono parte integrante della loro funzione, come ad sono parte integrante della loro funzione, come ad esempio fosforilazioni, metilazioni ecc.esempio fosforilazioni, metilazioni ecc.Tutte le cellule sono dotate di una serie di Tutte le cellule sono dotate di una serie di proteasiproteasi in in grado di rimuovere le molecole anormali.grado di rimuovere le molecole anormali.LL’’enorme quantitenorme quantitàà di energia spesa per ldi energia spesa per l’’anabolismo e il anabolismo e il catabolismo costituisce una grande parte del processo catabolismo costituisce una grande parte del processo di mantenimento che assicura alle struttura e funzioni di mantenimento che assicura alle struttura e funzioni normali.normali.

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Rimozione di organuli per AutofagiaRimozione di organuli per Autofagia

AUTOFAGIA

MECCANISMO DI NUTRIZIONE E MECCANISMO MECCANISMO DI NUTRIZIONE E MECCANISMO DI RIPARAZIONE CELLULARE:DI RIPARAZIONE CELLULARE:

-- PROVVEDE AI NUTRIENTI NELLPROVVEDE AI NUTRIENTI NELL’’INTERVALLO INTERVALLO TRA I PASTI TRA I PASTI

-- MANTIENE LA STRUTTURA E LE FUNZIONI MANTIENE LA STRUTTURA E LE FUNZIONI DELLE CELLULEDELLE CELLULE

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Nutrient releaseHigher turnover rate of

macromolecules and cellorganelles

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Risposta immunitaria Risposta immunitaria

Le complesse componenti delle cellule e dei tessuti del Le complesse componenti delle cellule e dei tessuti del sistema immunitario costituiscono un meccanismo sistema immunitario costituiscono un meccanismo fondamentale di mantenimento.fondamentale di mantenimento.Un esempio dellUn esempio dell’’ effetto del fallimento del sistema effetto del fallimento del sistema immunitario immunitario èè rappresentato dal destino dei soggetti rappresentato dal destino dei soggetti infettati da virus HIV che distrugge una componente infettati da virus HIV che distrugge una componente essenziale del sistema immunitario.essenziale del sistema immunitario.Nel sistema immunitario le due linee di difesa principali Nel sistema immunitario le due linee di difesa principali sono i meccanismi intrinseci, innati o aspecifici, e i sono i meccanismi intrinseci, innati o aspecifici, e i meccanismi acquisiti, di adattamento o specifici. meccanismi acquisiti, di adattamento o specifici. AllAll’’interno delle due linee ci sono sistemi umorali e interno delle due linee ci sono sistemi umorali e cellulari. cellulari.

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Riparazione delle feriteRiparazione delle ferite

Uno dei meccanismi di mantenimento piUno dei meccanismi di mantenimento piùù evidenti nel evidenti nel mondo animale mondo animale èè la capacitla capacitàà di riparare un danno di riparare un danno meccanico esterno o interno.meccanico esterno o interno.Quando un tessuto Quando un tessuto èè danneggiato, le cellule vengono danneggiato, le cellule vengono stimolate a dividersi per riparare il danno. Questo stimolate a dividersi per riparare il danno. Questo èè un un meccanismo complesso composto di diverse fasi.meccanismo complesso composto di diverse fasi.Anche il sistema di coagulazione del sangue, senza Anche il sistema di coagulazione del sangue, senza perdita di tessuto perdita di tessuto èè un esempio di un importante un esempio di un importante processo di riparazione. Lprocesso di riparazione. L’’emofilia emofilia èè ll’’esempio di un esempio di un grave deficit del sistema di coagulazione. grave deficit del sistema di coagulazione.

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Controllo della temperaturaControllo della temperatura

Gli animali omeotermi mantengono una Gli animali omeotermi mantengono una temperatura corporea costante mediante un temperatura corporea costante mediante un complesso sistema omeostatico neuroendocrino.complesso sistema omeostatico neuroendocrino.

I mezzi utilizzati per conservare o disperdere I mezzi utilizzati per conservare o disperdere calore variano considerevolmente tra le specie.calore variano considerevolmente tra le specie.

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Omeostasi fisiologica Omeostasi fisiologica

La parola La parola ““omeostasi omeostasi ““ viene usata classicamente viene usata classicamente per definire la stabilizzazione dei meccanismi per definire la stabilizzazione dei meccanismi fisiologici, ma la si può anche applicare nel fisiologici, ma la si può anche applicare nel contesto picontesto piùù ampio a meccanismi molecolari e ampio a meccanismi molecolari e cellulari, perciò la maggior parte dei sistemi di cellulari, perciò la maggior parte dei sistemi di mantenimento che abbiamo esaminato svolge un mantenimento che abbiamo esaminato svolge un ruolo omeostatico nella conservazione ruolo omeostatico nella conservazione delldell’’integritintegritàà e delle funzioni cellulare.e delle funzioni cellulare.

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Sindromi Sindromi ProgeroidiProgeroidiSono condizioni geneticamente determinate, Sono condizioni geneticamente determinate,

caratterizzate da insorgenza precoce di caratterizzate da insorgenza precoce di

malattie malattie etetàà--associateassociate e da senescenza e da senescenza

prematura ed atipica:prematura ed atipica:

Sindrome di Sindrome di HutchinsonHutchinson--GilfordGilford (Progeria)(Progeria)

Sindrome di Sindrome di WernerWerner

Sindrome di DownSindrome di Down

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ProgeriaProgeria

EE’’ un disordine raro, di tipo un disordine raro, di tipo autosomicoautosomico dominante ed dominante ed èèdovuto ad una mutazione del gene localizzato sul dovuto ad una mutazione del gene localizzato sul cromosoma 1 che codifica per la proteina lamina cromosoma 1 che codifica per la proteina lamina ––AA..

Alla nascita i soggetti colpiti appaiono normali, ma Alla nascita i soggetti colpiti appaiono normali, ma manifestano un ritardo della crescita gimanifestano un ritardo della crescita giàà entro il primo entro il primo anno di vita.anno di vita.

La morte, che nel 75La morte, che nel 75--80% dei casi 80% dei casi èè dovuta ad infarto dovuta ad infarto miocardico od a scompenso cardiaco congestizio, miocardico od a scompenso cardiaco congestizio, sopraggiunge in media a 12 anni.sopraggiunge in media a 12 anni.

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Sindrome di Sindrome di WernerWerner

Ha esordio relativamente piHa esordio relativamente piùù tardivo rispetto alla Progeria, tardivo rispetto alla Progeria, si trasmette come carattere si trasmette come carattere autosomicoautosomico recessivo ed ha recessivo ed ha una frequenza di 1una frequenza di 1--2 casi per milione.2 casi per milione.

La sindrome La sindrome èè dovuta alldovuta all’’alterazione di un gene, localizzato alterazione di un gene, localizzato sul cromosoma 8, che codifica la proteina sul cromosoma 8, che codifica la proteina elicasielicasi..

Questi soggetti presentano una maggior incidenza di Questi soggetti presentano una maggior incidenza di neoplasie, soprattutto mesenchimali, che sono neoplasie, soprattutto mesenchimali, che sono responsabili, insieme allresponsabili, insieme all’’infarto del miocardio, della loro infarto del miocardio, della loro mortalitmortalitàà precoce intorno ai 50 anni.precoce intorno ai 50 anni.

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Sindrome di DownSindrome di DownEE’’ dovuta alla presenza di una copia aggiuntiva del cromosoma dovuta alla presenza di una copia aggiuntiva del cromosoma

21, per cui l21, per cui l’’individuo possiede una triplice copia di circa 50individuo possiede una triplice copia di circa 50--100 geni.100 geni.

LL’’invecchiamento invecchiamento accelleratoaccellerato si esprime con precoce perdita di si esprime con precoce perdita di capelli, prematura comparsa di cataratta, rapido declino delle capelli, prematura comparsa di cataratta, rapido declino delle funzioni immunitarie che si ritiene contribuisca alla elevata funzioni immunitarie che si ritiene contribuisca alla elevata mortalitmortalitàà dovuta alle infezioni e ad alcune forme di dovuta alle infezioni e ad alcune forme di neoplasie. Nella maggior parte dei casi il ritardo mentale neoplasie. Nella maggior parte dei casi il ritardo mentale èèseguito da un progressivo deterioramento delle funzioni seguito da un progressivo deterioramento delle funzioni cognitive fino alla demenza, accompagnato da lesioni cognitive fino alla demenza, accompagnato da lesioni neurodegenerative tipiche della malattia di Alzheimer. neurodegenerative tipiche della malattia di Alzheimer.

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ESPRESSIONI ESPRESSIONI DELLDELL’’INVECCHIAMENTOINVECCHIAMENTO

Invecchiamento cellulare Invecchiamento cellulare

Invecchiamento dei tessuti connettivi e Invecchiamento dei tessuti connettivi e della matrice extracellulare della matrice extracellulare

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Invecchiamento cellulareInvecchiamento cellulare

Riguarda sia lRiguarda sia l’’aspetto morfologico che funzionale.aspetto morfologico che funzionale.

MembraneMembraneRiduzione con lRiduzione con l’’etetàà della componente della componente fosfolipidicafosfolipidica..Aumento di quella Aumento di quella colesterolicacolesterolica –– ed ancor pied ancor piùù del rapporto del rapporto

colesterolo/ fosfolipidi colesterolo/ fosfolipidi –– coscosìì come delle molecole sature e come delle molecole sature e diminuzione di quelle insature.diminuzione di quelle insature.

riduzione della fluiditriduzione della fluiditàà , della capacit, della capacitàà di trasporto proteico, di trasporto proteico, della permeabilitdella permeabilitàà

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Organuli citoplasmaticiOrganuli citoplasmatici

Mitocondri: Mitocondri: danni a livello del danni a livello del mtDNAmtDNA, irregolarit, irregolaritàà di di forma e volume, ridotta capacitforma e volume, ridotta capacitàà ad eseguire i processi ad eseguire i processi di fosforilazione ossidativa e di fosforilazione ossidativa e desforilazionedesforilazione..

Apparato del Golgi Apparato del Golgi va incontro a frammentazioniva incontro a frammentazioni

Lisosomi Lisosomi presentano una minore efficienza proteolitica presentano una minore efficienza proteolitica che facilita la formazione di che facilita la formazione di lipofuscinelipofuscine ..

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NucleoNucleo

Si osservano variazioni di forma e dimensioni, con Si osservano variazioni di forma e dimensioni, con alterazioni del rapporto nucleo/citoplasma.alterazioni del rapporto nucleo/citoplasma.

La cromatina tende ad addensarsi con inclusioni La cromatina tende ad addensarsi con inclusioni di vescicole ed il DNA va incontro ad di vescicole ed il DNA va incontro ad irrigidimento strutturale per comparsa di legami irrigidimento strutturale per comparsa di legami covalenti con le proteine, che si traducono in covalenti con le proteine, che si traducono in una compromissione della capacituna compromissione della capacitààproteosinteticaproteosintetica. .

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I fenomeni regressivi hanno effetti diversi a seconda del tessuto:

nei tessuti a nei tessuti a cellule perennicellule perenni, , in quello nervoso in in quello nervoso in particolare, che, in etparticolare, che, in etàà molto avanzata, può presentare molto avanzata, può presentare una perdita di oltre il 50una perdita di oltre il 50--60% del proprio patrimonio 60% del proprio patrimonio cellulare inizialecellulare inizialemeno evidenti e significative nei tessuti a meno evidenti e significative nei tessuti a cellule stabilicellule stabili, , dove le conseguenze sono essenzialmente in termini di dove le conseguenze sono essenzialmente in termini di ridotta capacitridotta capacitàà rigeneratrice di fronte a stimoli adeguati rigeneratrice di fronte a stimoli adeguati ((epatectomiaepatectomia parziale)parziale)praticamente praticamente irrelevantiirrelevanti nei tessuti anei tessuti a cellule labilicellule labili ad alto ad alto turnover rigenerativo, come cute e mucose turnover rigenerativo, come cute e mucose

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Invecchiamento dei tessuti connettivi e della Invecchiamento dei tessuti connettivi e della matrice extracellularematrice extracellulare

Il tessuto connettivo Il tessuto connettivo èè una delle componenti strutturali una delle componenti strutturali principali dellprincipali dell’’organismo. Lorganismo. L’’osso, la cartilagine, il osso, la cartilagine, il tessuto adiposo, la parete vasale, il derma, il tessuto tessuto adiposo, la parete vasale, il derma, il tessuto connettivo di sostegno, sono tessuti connettivi connettivo di sostegno, sono tessuti connettivi differenziati, poichdifferenziati, poichéé la loro componente cellulare la loro componente cellulare specifica specifica –– osteocita, osteocita, condrocitacondrocita, , adipocitaadipocita etc.etc.-- èè di di derivazione della stessa cellula indifferenziata, il derivazione della stessa cellula indifferenziata, il fibroblasto.fibroblasto.Da qui il motivo per cui tutti questi tessuti hanno la Da qui il motivo per cui tutti questi tessuti hanno la stessa matrice extracellulare (ME), che risulta composta stessa matrice extracellulare (ME), che risulta composta da:da:

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sostanze intercellulari amorfe,sostanze intercellulari amorfe, a loro volta a loro volta suddivise in sostanze fondamentali, suddivise in sostanze fondamentali, comprendenti proteine, glicidi, lipidi, acqua, ioni, comprendenti proteine, glicidi, lipidi, acqua, ioni, sali e soluti, e sostanze cementanti, individuabili sali e soluti, e sostanze cementanti, individuabili nei nei proteoglicaniproteoglicani e nelle proteine di struttura;e nelle proteine di struttura;

sostanze intercellulari fibrose,sostanze intercellulari fibrose, rappresentate rappresentate da collagene, fibre reticolari e fibre elastiche.da collagene, fibre reticolari e fibre elastiche.

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Con l’invecchiamento tutte queste macromolecole vanno progressivamente incontro a profonde modificazioni che riguardano la fase post-sintetica, , come la come la glicazioneglicazione e la degradazione proteolitica e la degradazione proteolitica anomala .anomala .

Le Le fibre collagenefibre collagene aumentano di numero in rapporto altre componenti – anche perché diminuisce la loro suscettibilità ad essere attaccate dalle collagenasi.

Le fibre elastichefibre elastiche perdono progressivamente l’elasticità, sia per la degradazione dell’elastina che per il progressivo aumento di un’elastina anomala, la cosiddetta pseudoelastina.

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I proteoglicaniproteoglicani si riducono di numero e modificano la loro composizione molecolare per diminuzione della componente glucidica di glicosaminoglicani ed aumento di quella proteica, con conseguente alterazione dei rapporti con il collagene e minore capacità di trattenere i liquidi.

Le glicoproteineglicoproteine di strutturadi struttura si riducono anch’esse, contribuendo ad alterare le caratteristiche strutturali e funzionali della ME.

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Le conseguenze di questi eventi sono:

progressivo irrigidimento ed idrofobia della ME;

alterazioni del flusso di nutrienti alle cellule e di prodotti di rifiuto da essi;

alterazione dei vari segnali chimici ed ormonali.

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