Sapienza Università di Roma

Corso di Laurea triennale in INFERMIERISTICA

Sede Policlinico Umberto I

Corso A

Insegnamento : Basi Molecolari e cellulari della vita

Modulo: Biologia applicata (biologia cellulare, generale, molecolare)

Dott. Sebastiana Angelaccio Dipartimento di Scienze Biochimiche

Sapienza Università di Roma

sebastiana.angelaccio@uniroma1.it

Sapienza

Università di Roma

Corso di Laurea triennale in INFERMIERISTICA

Sede Policlinico Umberto I

Corso A

Insegnamento: BASI MOLECOLARI E CELLULARI DELLA VITA

(I anno; I semestre) Programma del Modulo: Biologia Applicata (Biologia cellulare, generale, molecolare)

Docente: Prof.ssa Sebastiana Angelaccio

L’organizzazione della vita

Cenni generali

Struttura e funzione della cellula

•Cellule procariotiche ed eucariotiche. Virus

•Membrane cellulari: struttura e funzione

•Reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, lisosomi, perossisomi

•Mitocondri e cloroplasti

•Citoscheletro (microtubuli, microfilamenti, filamenti intermedi)

•Nucleo e nucleolo

•Cromosomi, mitosi e meiosi

Il flusso di informazione dal DNA alle proteine

•Struttura e replicazione del DNA

•Struttura e funzione dell’RNA

•Codice genetico

•Trascrizione e traduzione

Regolazione genica nei procarioti ed eucarioti: cenni generali

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Testo consigliato:

Autore: Solomon - Berg - Martin

Edizione: V / 2008

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I SISTEMI VIVENTI SONO ORGANIZZATI SECONDO UNA GERARCHIA OVE OGNI SINGOLO LIVELLO DELL’ORGANIZZAZIONE PRESENTA SPECIFICHE PROPRIETA’ EMERGENTI

Caratteristiche tipiche degli organismi

viventi

a) alto grado di complessità chimica e di orga-

nizzazione microscopica

b) presenza di sistemi di estrazione, trasforma

zione e utilizzo dell’energia dall’ambiente

c) capacità di autoreplicazione e autocostruzione

d) meccanismi per percepire e rispondere alle

alterazioni dell’ambiente circostante

e) capacità di evolvere

CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI VIVENTI

Ideata dal botanico svedese Carlo Linneo nel XVIII secolo ed ancora fondamentalmente valida

L’unità di base per la classificazione è la specie, un gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamenti simili. Una specie è costituita da una o più popolazioni i cui membri sono in grado di di accoppiarsi gli uni con gli altri, ma non con membri di altre specie. I membri di una specie hanno un pool genico comune.

Il sistema di Linneo è un sistema di nomenclatura binomiale: a ciascuna specie è assegnato un nome doppio, la prima parte del nome indica il genere, la seconda indica una particolare specie apparten- te a quel genere.

Categoria Gatto Uomo Quercia bianca

Dominio Eukarya Eukarya Eukarya

Regno Animalia Animalia Plantae

Phylum Chordata Chordata Anthophyta

Subphylum Vertebrata Vertebrata Nessuno

Classe Mammalia Mammalia Eudicotyledones

Ordine Carnivora Primates Fagales

Famiglia Felidae Hominidae Fagaceae

Genere Felis Homo Quercus

Specie Felis catus Homo sapiens Quercus alba

ALBERO DELLA VITA Albero genealogico che mostra le corre- lazioni tra gli organismi sulla base delle similarità a livello molecolare.

Proposto da Woese e coll. negli anni ’90. E’ basato sull’analisi molecolare di una molecola di rRNA da diverse fonti.

Suddivisione in tre domini e sei regni I domini Bacteria e Archaea includono organismi unicellulari (procarioti), mentre il dominio Eukarya è costituito da da organismi composti da una o più cellule molto complesse ed organizzate. -Protisti: organismi unicellulari o pluricellulari semplici -Piante: organismi caratterizzate da cellule che hanno una parete cellulare costituita da cellulosa e ricavano energia dalla fotosintesi -Funghi: possiedono pareti di chitina e ottengono energia da sostanze organiche in decomposizione -Animali: non hanno parete cellulare ed ottengono energia dalla ingestione di altri organismi

Coppie di specie di

primati

Percentuale di divergenza

in una sequenza di DNA

selezionata

Uomo-scimpanzè 1,7

Uomo-gorilla 1,8

Uomo-orango 3,3

Uomo-gibbone 4,3

Uomo-macaco 7.0

Uomo-scimmia ragno 10.8

Uomo-tarsio 24,6

Differenze nelle sequenze nucleotidiche del DNA come prova di relazioni filogenetiche

Generalmente si ritiene che le specie più affini presentino un maggior numero di sequenze di DNA in comune. Dai dati riportati in tabella, si può concludere che l’essere vivente filoge- neticamente più prossimo agli esseri umani è lo scimpanzè.

ALBERO FILOGENETICO DELLE BALENE E DEI LORO PARENTI PIU’ STRETTI

Questo diagramma ramificato (cladogramma) è basato sulle differenze tra sequenze di DNA di mammiferi selezionati. Mostra ipotetiche correlazioni evolutive

La vita sulla terra dipende dall’energia emanata

dal sole. Tutte le attività di un organismo richiedono

energia.

I processi chimici e le trasformazioni

energetiche che avvengono all’interno

delle cellule degli organismi viventi

prendono il nome di metabolismo.

Ogni volta che viene utilizzata energia per eseguire un lavoro di tipo biologico, parte di essa viene trasformata in calore.

Come i singoli individui, anche gli ecosistemi dipendono da un continuo apporto di energia.

Un ecosistema autosufficiente è costituito da:

produttori (organismi autotrofi), consumatori

(organismi eterotrofi), decompositori e da un

ambiente fisico appropriato.

Il flusso di energia è a senso unico. Gli organismi non sono in grado né di creare energia né di utilizzarla completamente.

Il termine cellula deriva dal latino e letteralmente significa “piccola cella”. Nel 1665 il fisico e naturalista inglese Robert Hooke utilizzò il termine per descrivere ciò che vide esaminando con un sistema di lenti un pezzo molto sottile di sughero struttura a cellette.

Teoria cellulare (XIX secolo)

Le cellule rappresentano le unità fondamentali, sia strutturali che funzionali, di tutti gli organismi viventi.

Gli organismi unicellulari sono costituiti da una sola cellula, quelli

pluricellulari da più cellule. La cellula è la più piccola unità vivente in grado di svolgere tutte le

attività vitali (mantenimento, crescita e divisione). Tutte le cellule si originano dalla divisione di altre cellule preesistenti.

Forma delle cellule

Morfologia molto ampia che dipende essenzialmente dalla funzione e dalla localizzazione della cellula.

Dimensioni delle cellule Non esiste una dimensione standard per le cellule

Il micrometro

Un micrometro o micron corrisponde a un milionesimo di metro

Il nanometro

Un nanometro corrisponde a un miliardesimo di metro

La gerarchia strutturale nell’organizzazione molecolare della cellula. In questa cellula di una pianta, il nucleo contiene diversi tipi di complessi sopramolecolari, tra cui i cromosomi. I cro- mosomi sono costituiti da macromolecole: DNA e differenti tipi di proteine. Ogni tipo di macro- molecola è composto da subunità più semplici: per esempio, il DNA è costituito dai deossiribo nucleotidi.

I componenti chimici delle cellule

Una cellula vivente è composta da una serie ristretta di elementi del sistema periodico.

Sei elementi [carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N), zolfo (S) e fosforo (P)] costituiscono oltre il 95% in peso degli organismi stessi.

In quantità minime sono presenti calcio (Ca), sodio (Na), cloro (Cl), potassio (K), ferro (Fe), magnesio (Mg) e altri.

Il composto chimico più abbondante è l’acqua (H2O) che rappresenta il 70% del peso di una cellula. La maggior parte delle reazioni intracellulari avvengono in ambiente acquoso.

I composti organici

Sono quei composti in cui gli atomi di carbonio sono uniti tra loro da legami covalenti a formare lo scheletro delle molecole. Sono estremamente diversi. Identificati più di 5 milioni di composti organici. Grande varietà di forme tridimensionali. Possibilità di cambiare le proprietà di una molecola tramite l’aggiunta di gruppi contenenti altri atomi come ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. La maggioranza dei composti organici che si trova negli organismi sono macromolecole di grandi dimensioni costruite dalle cellule a partire da subunità modulari più semplici. Sono macromolecole i carboidrati, i lipidi, le proteine, gli acidi nucleici (DNA e RNA).

STRUTTURA DELLA MOLECOLA DI ACQUA.

L’ ACQUA

L’acqua determina la struttura e la funzione delle macromolecole biologiche ed è necessaria per le normali attività metaboliche cellulari. Tutto questo è dovuto alle peculiari proprietà chimico- fisiche dell’acqua stessa, collegate alla sua straordinaria capacità di formare legami idrogeno.

La forma geometrica e l’elettronegatività

dell’atomo di ossigeno rendono la mole-

cola d’acqua polare con l’atomo di ossi-

geno carico negativamente ed i due atomi

di idrogeno carichi positivamente.

Macromolecole: molecole biologiche di grandi dimensioni. Sono polimeri formati dalla unione di composti organici più piccoli detti monomeri.

I carboidrati

Contengono C, H e O in un rapporto 1:2:1 (CH2O)n Monosaccaridi: contengono una sola unità di zucchero Disaccaridi: contengono due unità di zucchero Polisaccaridi: contengono molte unità di zucchero

I lipidi

Solubili nei solventi apolari (etere, cloroformio, etc.) e relativamente insolubili in acqua. Costituiti essenzialmente da carbonio e idrogeno, con pochi gruppi funzionali contenenti ossigeno. Trigliceridi (o triacil-gliceroli, o più comunemente grassi) Fosfolipidi Steroidi Terpeni

Le proteine

Gli acidi nucleici (DNA e RNA)

Sono polimeri composti di unità più piccole: gli aminoacidi. Non presentano una struttura uniforme e regolare; ciò è dovuto in parte al fatto che i 20 tipi di aminoacidi di cui sono costituite esibiscono proprietà chimiche e fisiche molto diverse tra loro. Sono i componenti cellulari più versatili. Svolgono funzioni catalitiche, regolatorie, di trasporto di difesa ecc… Sono, inoltre, costituenti strutturali essenziali.

Sono polimeri di nucleotidi. Sono direttamente coinvolti nei processi di immagazzinamento e decodifica- zione delle informazioni genetiche.

LE MACROMOLECOLE SONO POLIMERI

I CARBOIDRATI

• Sono le biomolecole più abbondanti sulla

terra

• Sono aldeidi o chetoni poliossidrilici

[formula empirica: (CH2O)n]

• Si dividono in: monosaccaridi,

oligosaccaridi e polisaccaridi

FUNZIONI DEI CARBOIDRATI

• Ruolo energetico: zucchero e amido sono tra i principali

alimenti dell’uomo in tutte le parti del mondo e l’ossidazione dei

carboidrati è la via di produzione dell’energia più importante nelle

cellule non fotosintetiche

• Ruolo strutturale: i polisaccaridi insolubili sono elementi

strutturali e protettivi nella parete cellulare di batteri e piante, e nel

tessuto connettivo degli animali

• Ruolo di riconoscimento: i polimeri saccaridici

complessi legati covalentemente a proteine e lipidi agiscono come

segnali che determinano la localizzazione extracellulare o il loro

destino metabolico

POLISACCARIDI CON RUOLO ENERGETICO

In alto: l’amilosio, un amido vegetale

In basso: il glicogeno

POLISACCARIDI CON RUOLO STRUTTURALE

In alto: la cellulosa, la fibra di primaria importanza nelle pareti cellulari vegetali

In basso: la chitina, una fibra di rinforzo che garantisce resistenza ed elasticità

all’esoscheletro degli artropodi e alle pareti cellulari di alcuni funghi

LIPIDI

Sono un gruppo eterogeneo di composti chimici la

cui proprietà comune più importante è l’insolubilità in

acqua. Le funzioni biologiche dei lipidi sono molto

diversificate. Per esempio, sono usati per

immagazzinare energia, ma sono anche importanti

per la struttura delle membrane e svolgono funzioni

come cofattori, pigmenti, ormoni e messaggeri

intracellulari.

Diversamente dalle altre tre classi di biomolecole (carboidrati, proteine, acidi nucleici), i lipidi non formano polimeri. Grazie alle loro proprietà chimico-fisiche sono in grado di formare grandi aggregati sovramolecolari (membrane) in ambiente acquoso.

LIPIDI

Struttura del colesterolo

LIPIDI

Derivati isoprenoidi

I NUCLEOTIDI

• I nucleotidi sono implicati in quasi tutti gli aspetti della

vita cellulare. Essi partecipano alle reazioni di

ossidoriduzione, al trasferimento di energia, alle vie di

segnalazione intracellulare e alle reazioni di biosintesi.

• I loro polimeri, gli acidi nucleici DNA e RNA, sono

direttamente coinvolti nei processi di immagazzinamento

e decodificazione delle informazioni genetiche

PROTEINE Le proteine sono macromolecole costituite da aminoacidi (subunità monomeriche)

Le proteine sono molecole estremamente eterogenee sia per quanto riguarda la forma che per le dimensioni. Hanno anche funzioni biologiche molto diverse e sono i prodotti finali delle vie dell’informazione

ISOMERI L E D DEGLI AMINOACIDI

PROTEINE

Esempi di proteine fibrose

Struttura del collageno. (c) tre eliche si arrotolano insieme con andamento destrorso. (d) rappresentazione della super- elica a tre catene del collageno vista da una delle estremità.

Struttura della seta. La fibroina è costituita da strati di foglietti b anti- paralleli ricchi di residui di Ala e di Gly

PROTEINE

Esempi di proteine globulari

Struttura terziara della mioglobina.

(a) Lo scheletro del polipeptide è

mostrato nella forma a nastro. Sono

evidenti le regioni ad alfa-elica.

(e) Un modello spaziale con tutte le

catene laterali. I residui idrofobici

sono in blu; la maggior parte non è

visibile in quanto si trova all’interno

della proteina.

Struttura quaternaria della deossiemoglobina

La proteina è costituita da quattro subunità con

struttura tridimensionale molto simile a quella

della mioglobina unite da legami non covalenti.

(a) Rappresentazione a nastro

(b) Modello spaziale

Organizzazione fondamentale delle cellule

Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica che

delimita il compartimento interno dall’ambiente esterno

permettendo alla cellula di mantenere l’omeostasi cellulare.

Il citoplasma (il compartimento cellulare interno) è una

soluzione acquosa contenente numerose sostanze chimiche e

strutture anche complesse.

Ogni cellula contiene DNA (acido desossirubonucleico), la

molecola in cui sono immagazzinate tutte le informazioni

necessarie per la sintesi delle proteine specifiche per la struttura

e la funzione della cellula stessa.

Tutte le cellule contengono i ribosomi dove avviene la sintesi

proteica.

COSA LIMITA LE DIMENSIONI DI UNA CELLULA?

Le cellule animali e vegetali hanno un diametro compreso tra 5 e 100 mm e molti batteri sono lunghi solo 1 o 2 mm. Il limite inferiore è probabilmente dovuto al numero minimo di ciascun tipo di biomolecola necessaria alla cellula. Il limite superiore nella dimensione della cellula è probabilmente dovuto all’indice di diffusione di molecole di soluto nei sistemi acquosi.

Per esempio una cellula batterica che dipende dalle reazioni che consumano ossigeno per la produzione di energia deve ottenere l’ossigeno molecolare dalla sua diffusione dal mezzo circostante attraverso la membrana plasmatica. Poiché la cellula è così piccola e il rapporto tra la sua area superficiale e il suo volume così grande, ogni parte del citoplasma è facilmente raggiungibile dall’O2. La dimensione di una cellula può aumentare e quindi il rapporto superficie-volume diminuire, fino a che il metabolismo non viene a consumare l’O2 più velocemente di quanto la diffusione lo possa rifornire.

Cellule procariotiche

Procariote significa “prima del nucleo” non è presente un nucleo ben distinto

Il DNA (molecola circolare) è libero nel citoplasma e situato in una regione più o meno centrale della cellula, non delimitata da membrane, detta nucleoide.

Il sistema di membrane è circoscritto alla sola membrana plasmatica esterna ed è assente un sistema membranoso interno.

Non sono presenti organuli citoplasmatici ad eccezione dei ribosomi che sono più piccoli di quelli delle cellule eucariotiche.

Le dimensioni variano

da 0.5 a 5 mm

(1mm, micron = 10-6 m)

La membrana plasmatica è circondata da

uno strato di materiale rigido, con spessore

variabile, detto parete cellulare, formata

proteine, polisaccaridi e lipidi, che

conferisce rigidità e protezione alla cellula

procariotica.

Sono gli organismi più primitivi e

comprendono circa 3000 specie di batteri

(alcuni dei quali patogeni) ed i

cianobatteri (alghe azzurre)

Nel citoplasma possono essere presenti plasmidi, molecole di DNA circolari

che si riproducono autonomamente e indipendentemente dal DNA genomico,

che sembrano conferire alla cellula resistenza agli antibiotici.

PARETI DELLA CELLULA BATTERICA

In questa figura sono paragonati i rivestimenti cellulari dei (a) batteri Gram-positivi e (b) batteri Gram-negativi.

Forme comuni di procarioti

cocchi (Micrococcus)

bacilli (Salmonella)

spirilli (Spiroplasma)

Molti tipi di batteri sono in grado di

muoversi rapidamente grazie all’azione di

un lungo flagello che si diparte dalla

superficie cellulare.

Alcuni batteri possiedono centinaia di

appendici pilifere, note come pili, che aiutano i

batteri ad aderire tra loro o a certe superfici,

come le cellule che infettano. Alcuni pili

allungati, detti pili sessuali, sono coinvolti

nello scambio di DNA tra batteri.

pili sessuali

Eucariote significa “vero nucleo” nucleo ben distinto che contiene il DNA

(molecola lineare). Oltre alla membrana plasmatica, che circonda la cellula, un complicato sistema di membrane suddivide lo spazio intracellulare in compartimenti distinti, detti organelli, caratterizzati da funzioni differenziate. Dimensioni di una cellula eucariotica: circa 10 volte maggiori di quelle di una cellula procariotica. Posseggono un’impalcatura di sostegno, il citoscheletro, importante per il mantenimento della forma della cellula e per il trasporto di materiali al suo interno. Le cellule eucariote costituiscono gli organismi dei regni: Protisti, Funghi, Piante, Animali.

Cellule eucariotiche

CONFRONTO FRA CELLULE PROCARIOTICHE ED

EUCARIOTICHE

Caratteristica Cellula procariotica Cellula eucariotica

Dimensioni In genere, piccole (1-10 mm) In genere, grandi (5-100

mm)

Genoma DNA con proteine non istoniche;

genoma nel nucleoide, non circ

ondato da membrana

DNA complessato con proteine

istoniche e non istoniche;

cromosomi nel nucleo con

involucro membranoso

Divisione cellulare Fissione o gemmazione;

assenza di mitosi

Mitosi comprendente il fuso

mitotico, e centrioli in molte

specie

Organelli circondati da

membrana

Assenti Mitocondri, cloroplasti, reticolo

endoplasmatico, lisosomi, ecc..

Nutrizione Assorbimento, qualche

fotosintesi

Assorbimento, ingestione,

fotosintesi in alcune specie

Metabolismo energetico Non vi sono mitocondri; gli

enzimi ossidativi sono legati alla

membrana plasmatica; grande

variabilità metabolica

Gli enzimi ossidativi sono nei

mitocondri; minore variabilità nel

metabolismo ossidativo

Citoscheletro Assente Complesso costituito da

microtubuli, filamenti intermedi e

filamenti di actina

Movimento intracellulare Nessuno Flussi citoplasmatici, endocitosi,

fagocitosi, mitosi e vescicole di

trasporto

Cellula animale

Cellula vegetale