Introduzione_Corso-010210 [modalità compatibilità]

INTRODUZIONE DEL CORSO
DOCENTE DEL CORSO:
Dr. Davide Barbagallo
MATERIALE UTILE AI FINI DEL CORSO:
1. Libro di testo consigliato: Biologia e Genetica a cura di G. De Leo, E. Ginelli,
Ginelli,
S. Fasano (Ed. EdiSES)
EdiSES)
2. Sito Internet (dove poter scaricare il materiale didattico):
http://www.bgbunict.it (Sezione Researchers – Home Page Davide Barbagallo
Barbagallo))
3. Ricevimento presso il Laboratorio di Biologia Molecolare: Comparto 10 Ed. C –
Piano -1, Stanza 002
TUTTA LA VITA HA UN’ORIGINE
COMUNE CHE SI E’ DIVERSIFICATA
E SVILUPPATA ATTRAVERSO IL
PROCESSO DELL’EVOLUZIONE.
I RICERCATORI STIMANO CHE NEL
MONDO ATTUALE VI SIA UN
NUMERO COMPRESO TRA 5*106 E
100*106 SPECIE VIVENTI
Caratteristiche degli organismi viventi
1) Utilizzo dell’energia proveniente
dall’ambiente
2) Scambio di materia con l’ambiente
3) Costruzione delle proprie strutture
4) Ereditarietà
L’INTERA BIOLOGIA E’ UN
CONTRAPPUNTO TRA DUE TEMI:
STUPEFACENTE VARIETA’ NEI
SINGOLI PARTICOLARI;
STUPEFACENTE COSTANZA NEI
MECCANISMI FONDAMENTALI
Da Alberts B. et al.
Biologia Molecolare
della Cellula
LA FILOGENESI SI OCCUPA DI STUDIARE LA STORIA
DELLA DISCENDENZA DEGLI ORGANISMI E COME
ESSI SONO CAMBIATI NEL TEMPO.
LA
TASSONOMIA
SI
RIFERISCE
INVECE
ALLA
MODALITA’ ATTRAVERSO CUI I NATURALISTI ED I
BIOLOGI
RAGGRUPPANO
TASSONOMICHE
DI
LE
BASE)
VIVENTI E DEI FOSSILI.
SPECIE
DEGLI
(UNITA’
ORGANISMI
SISTEMA GERARCHICO DI CLASSIFICAZIONE
1. SPECIE (Es.: sapiens)
2. GENERI (Es.: Homo)
3. FAMIGLIE (Es.: Hominidae)
Hominidae)
4. ORDINI (Es.: Primates)
Primates)
5. CLASSI (Es.: Mammalia)
Mammalia)
6. PHYLA O DIVISIONI
(Es.: Chordata)
Chordata)
7. REGNI (Es.: Animalia)
Animalia)
TASSONOMIA E SISTEMATICA MOLECOLARE
LA SISTEMATICA MOLECOLARE SI BASA SULLE
ANALISI DELLE SEQUENZE DI DNA O DELLE
PROTEINE.
ALLORQUANDO LA SIMILARITA’ TRA LE
SEQUENZE PROTEICHE DI DIFFERENTI
ORGANISMI RISULTA SIGNIFICATIVA, ALLORA
TALI PROTEINE VENGONO DEFINITE OMOLOGHE
E, PROBABILMENTE, SVOLGONO FUNZIONI
SIMILI. (ES.:EVOLUZIONE DELL’EMOGLOBINA)
NASCITA DELLA BIOINFORMATICA
IL POTERE DI QUESTO TIPO DI ANALISI COMPARATIVE E
L’IDENTIFICAZIONE DI PROTEINE OMOLOGHE E’ STATO NOTEVOLMENTE
AMPLIATO NEGLI ULTIMI 5 ANNI GRAZIE ALL’ANALISI IN SILICO DELLE
SEQUENZE AMINOACIDICHE, DEDOTTE DALLA CRESCENTE
DISPONIBILITA’ DELLE INFORMAZIONI DI SEQUENZA CONTENUTE NEI
PROGETTI GENOMA DEI VARI ORGANISMI VIVENTI.
ESISTONO 3 GRANDI DATABASES DI SEQUENZE NUCLEOTICHE AL
MONDO: EMBL; DDBJ E GenBank E UNIPROT COME DATABASE DI SEQ.
AMINOACIDICHE.
ATTRICE FONDAMENTALE
DEL CORSO SARA’
“LA CELLULA”
La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli
organismi viventi
Tutti gli organismi viventi sono formati da
cellule
Non esiste alcuna forma di vita se non a
livello cellulare
(TEORIA CELLULARE – Prima metà del
1800; Shleiden
Shleiden,, Schwann e Virchow)
Virchow)
A FRONTE DI UNA NOTEVOLE
VARIETA’ DI FORME E FUNZIONI,
DIFFERENTI TIPI DI CELLULE
SONO ACCOMUNATI DAL
POSSEDERE TUTTE:
1) CITOPLASMA
CITOPLASMA;;
2) NUCELOIDE O NUCLEO
NUCLEO;;
3) MEMBRANA PLASMATICA
PER INIZIARE …QUALCHE CENNO DI CHIMICA
•LA MATERIA E’ FATTA DI COMBINAZIONI DI ELEMENTI.
•LA PARTICELLA PIU’ PICCOLA DI UN ELEMENTO CHE MANTIENE ANCORA
LE SUE CARATTERISTICHE CHIMICHE DISTINTIVE E’ UN ATOMO.
•ATOMI UNITI INSIEME IN GRUPPI COSTITUISCONO LE MOLECOLE.
GRAFITE
CARBONIO
MOLECOLA ATP
L’ATOMO
IN UN ATOMO SI DISTINGUE UN NUCLEO CARICO POSITIVAMENTE
ATTORNO AL QUALE RUOTANO PARTICELLE CARICHE NEGATIVAMENTE:
GLI ELETTRONI (e-) (-)
IL NUCLEO DI UN ATOMO, IN PARTICOLARE, CONTIENE SIA PROTONI (p)
(+) CHE NEUTRONI (n) (0)
UN ATOMO ELETTRICAMENTE NEUTRO HA UN UGUAL NUMERO DI “e-” E
DI “p” NUMERO ATOMICO = N° DI “p” DEL NUCLEO
GLI “e-” DETERMINANO IL COMPORTAMENTO CHIMICO DI UN ATOMO E
TUTTI GLI ATOMI DI UN DATO ELEMENTO HANNO LO STESSO NUMERO
ATOMICO
ISOTOPI = ATOMI CON IDENTICO NUMERO DI “p” MA DIVERSO NUM.
DI “n”
PESO ATOMICO (PA) (ATOMI) O PESO MOLECOLARE (PM) (MOLECOLE) =
MASSA IN CONFRONTO A QUELLA DI UN ATOMO DI IDROGENO (H)
1 DALTON (D) ~ MASSA DI UN ATOMO DI H
ATOMO DI BOHR
ORBITALI
ELETTRONI
NUCLEO
IN NATURA SI TROVANO 92 ELEMENTI,
ELEMENTI, CIASCUNO DIVERSO DAGLI ALTRI
PER NUMERO DI “p” E DI “e-” NEI SUOI ATOMI
GLI ORGANISMI VIVENTI (VIRUS COMPRESI) SONO COMPOSTI SOLTANTO
DA UNA PICCOLA SELEZIONE DI QUESTI ELEMENTI
I DIVERSI ELEMENTI SONO DISTRIBUITI NELLA TAVOLA IN BASE ALLE
LORO CARATTERISTICHE “PERIODICHE”
I LEGAMI TRA GLI ATOMI
NEI TESSUTI VIVENTI SOLO GLI ELETTRONI DI UN ATOMO SUBISCONO
RIARRANGIAMENTI (MODIFICAZIONI).
GLI e- SONO IN CONTINUO MOVIMENTO INTORNO AL NUCLEO,
SECONDO BEN PRECISI STATI DISCRETI DETTI “ORBITALI” O “GUSCI
ELETTRONICI”.
CIASCUN GUSCIO PUO’ CONTENERE SOLO UN NUMERO PRESTABILITO DI
e-: 1° GUSCIO 2 e-; 2° E 3° GUSCIO 8 e- CIASCUNO; 4° E 5° GUSCIO 18
e- CIASCUNO… (ATOMI CON PIU’ DI 4 GUSCI SONO MOLTO RARI NELLE
MOLECOLE BIOLOGICHE).
I GUSCI PIU’ INTERNI AVRANNO I LORO e- MAGGIORMENTE
ATTRATTI DAI p, AL CONTRARIO GLI e- DEI GUSCI PIU’ ESTERNI
SARANNO “MENO VINCOLATI”. I PRIMI e- SONO PIU’ “STABILI” DEI
SECONDI.
QUANDO UN ATOMO HA IL GUSCIO PIU’ ESTERNO INTERAMENTE
RIEMPITO DI e- E’ PARTICOLARMENTE STABILE E, QUINDI,
CHIMICAMENTE NON REATTIVO (Es: He; Ne; Ar; etc…).
GLI ATOMI CHE, INVECE, HANNO L’ORBITALE PIU’ ESTERNO NON
COMPLETAMENTE RIEMPITO, SONO IN GRADO DI “DONARE”;
“RICEVERE” O “CONDIVIDERE” e- FRA LORO PER FORMARE MOLECOLE
O IONI
LEGAME IONICO = QUANDO GLI e- SONO DONATI DA UN ATOMO AD UN
ALTRO
LEGAME COVALENTE = QUANDO DUE ATOMI CONDIVIDONO UNA O PIU’
COPPIE DI eNOTA: SPESSO LA COPPIA (O LE COPPIE) DI e- E’ CONDIVISA IN MODO
INEGUALE (CIOE’ GLI e- SONO ATTRATTI DI PIU’ VERSO UN ATOMO –
QUELLO PIU’ “ELETTRONEGATIVO” – PIUTTOSTO CHE VERSO L’ALTRO (Es:
H2O) ): IN TAL CASO SI PARLA DI LEGAME COVALENTE POLARE
IL NUM. DI e- CHE UN ATOMO DEVE ACQUISIRE O PERDERE (SIA PER
CONDIVISIONE CHE PER TRASFERIMENTO) PER OTTENERE UN GUSCIO
ESTERNO PIENO E’ NOTO COME LA SUA VALENZA
LEGAME IONICO
LEGAME COVALENTE
LEGAME COVALENTE POLARE
LEGAME IONICO
SOLITAMENTE SI FORMA TRA ATOMI CHE HANNO SOLTANTO UNO O
DUE e- IN PIU’ OLTRE AD UN GUSCIO ELETTRONICO PIENO OD A CUI
MANCANO UNO O DUE e- PER ACQUISIRE UN GUSCIO ESTERNO PIENO.
QUESTI ATOMI, INFATTI, POSSONO OTTENERE UN GUSCIO
ELETTRONICO ESTERNO PIENO PIU’ FACILMENTE TRASFERENDO e- AD
UN ALTRO ATOMO O ACQUISENDOLI DA ESSO PIUTTOSTO CHE
METTENDONE IN COMPARTECIPAZIONE.
NEL VUOTO IL LEGAME IONICO E’ 2525-30 VOLTE PIU’ FORTE CHE IN
SOLUZIONE
ACQUOSA
UN CRISTALLO DI NaCl
LEGAME COVALENTE
MOLECOLA = GRUPPO DI ATOMI TENUTI ASSIEME DA LEGAMI COVALENTI
NEI LEGAMI COVALENTI GLI e- SONO CONDIVISI TRA ATOMI PER
COMPLETARE IL GUSCIO ESTERNO, PIUTTOSTO CHE ESSERE TRASFERITI
FRA DI ESSI.
GLI e- CONDIVISI FORMANO UNA NUVOLA DI CARICHE NEGATIVE CHE E’
PIU’ DENSA TRA I DUE NUCLEI CARICHI POSITIVAMENTE ED AIUTA A
TENERLI INSIEME, OPPONENDOSI ALLA MUTUA REPULSIONE FRA CARICHE
SIMILI CHE ALTRIMENTI LI FORZEREBBERO A SEPARARSI
FORZE ATTRATTIVE E REPULSIVE SONO IN EQUILIBRIO SE I NUCLEI
SONO SEPARATI DA UNA DISTANZA CARATTERISTICA, CHIAMATA
LUNGHEZZA DI LEGAME
ALTRA PROPRIETA’ CRUCIALE DI QUALUNQUE LEGAME (COVALENTE E NON)
E’ LA FORZA DI LEGAME = QUANTITA’ DI ENERGIA (IN Kcal/mole) CHE DEVE
ESSERE FORNITA PER ROMPERE QUEL LEGAME. [UN TIPICO LEGAME
COVALENTE HA UNA FORZA DI 90 Kcal/mole].
FORMAZIONE E ROTTURA DI LEGAMI COVALENTI SONO EVENTI VIOLENTI
E NELLA CELLULA SONO CONTROLLATI DA CATALIZZATORI SPECIFICI: GLI
ENZIMI
LEGAME COVALENTE (continua)
QUANDO UN ATOMO FORMA LEGAMI COVALENTI CON PARECCHI ALTRI,
QUESTI LEGAMI MULTIPLI HANNO ORIENTAMENTI DEFINITI NELLO
SPAZIO L’UNO RISPETTO ALL’ALTRO, RIFLETTENDO GLI ORIENTAMENTI
DELLE ORBITE DEGLI e- CONDIVISI: SI PARLA IN TAL CASO DI ANGOLI
DI LEGAME
L’ORIENTAMENTO PRECISO DEI LEGAMI COVALENTI FORMA LA BASE
DELLA GEOMETRIA TRIDIMENSIONALE DELLE MOLECOLE ORGANICHE
H2O
UN “FRAMMENTO” DI DNA
LEGAME COVALENTE (continua)
I LEGAMI COVALENTI POLARI SONO MOLTO IMPORTANTI IN BIOLOGIA (V.
DNA) PERCHE’ CREANO DEI DIPOLI PERMANENTI CHE PERMETTONO ALLE
MOLECOLE DI INTERAGIRE TRAMITE FORZE ELETTRICHE.
Es: UNA MACROMOLECOLA BIOLOGICA (COME IL DNA O LE PROTEINE) CON
MOLTI GRUPPI POLARI, AVRA’ UNO SCHEMA DI DISTRIBUZIONE DI CARICHE
+ E - SULLA SUA SUPERFICIE; QUANDO UNA TALE MOLECOLA INCONTRA
UNA SECONDA MOLECOLA CON UNA SERIE COMPLEMENTARE DI CARICHE, LE
DUE MOLECOLE SARANNO ATTRATTE FRA LORO DA INTERAZIONI FRA
DIPOLI PERMANENTI CHE ASSOMIGLIANO AI LEGAMI IONICI MA SONO
PIU’ DEBOLI DI QUESTI
Es. DI LEGAMI COVALENTI POLARI
DNADNA
-PROTEINE
LEGAMI NON COVALENTI
•LEGAME IONICO (V. PRIMA).
•LEGAME IDROGENO (LEGAMI H) = SI FORMA QUANDO UN ATOMO DI H SI
METTE “A PONTE” TRA DUE ATOMI AD ELETTRONEGATIVITA’ MAGGIORE
RISPETTO AD ESSO (Es: LEGAMI H TRA MOLECOLE DI ACQUA).
•ATTRAZIONE DI Van der Waals = QUANDO, A CAUSA DELLA
FLUTTUAZIONE DELLA NUVOLA ELETTRONICA DI UN ATOMO APOLARE, SI
FORMA UN DIPOLO INTERMITTENTE CHE, A SUA VOLTA, INDUCE
TRANSITORIAMENTE UN DIPOLO INTERMITTENTE POLARIZZATO IN MODO
OPPOSTO IN UN ATOMO CIRCOSTANTE. QUESTA INTERAZIONE TRA ATOMI
E’ MOLTO DEBOLE.
•LEGAME IDROFOBICO = NON E’ UN VERO E PROPRIO LEGAME, QUANTO UNA
INTERAZIONE “FORZATA” TRA MOLECOLE IDROFOBICHE CHE VENGONE
“SPINTE” DALL’ACQUA A FORMARE DEGLI AGGREGATI MOLECOLARI CHE
COPRONO A VICENDA I LORO RESIDUI APOLARI, EVITANDO COSI’ EFFETTI
DISTRUTTIVI SUL RETICOLO D’ACQUA, TENUTO INSIEME DA LEGAMI H.
LEGAME H
ATTRAZIONE DI Van der Waals
LEGAMI IDROFOBICI
LE MACROMOLECOLE CELLULARI
IN PESO, LE MACROMOLECOLE SONO DI GRAN LUNGA LE PIU’ ABBONDANTI
FRA LE MOLECOLE CHE CONTENGONO C IN UNA CELL. VIVENTE; SONO LE
PRINCIPALI UNITA’ DI CUI E’ COSTITUITA UNA CELL. E ANCHE I
COMPONENTI CHE CONFERISCONO LE PROPRIETA’ PIU’ DISTINTIVE DEI
VIVENTI.
16%
14%
12%
PROTEINS
10%
8%
6%
RNA
4%
2%
DNA
0%
SI DEDUCE CHE NELLA CELLULA LE MOLECOLE SONO
“DISSOLTE” A FORMARE UNA SOLUZIONE ACQUOSA
H2O – CO2 - NH3 – CH4
Aminoacidi, Nucleotidi, Acidi grassi e Glicerolo,
Monosaccaridi
Proteine, Acidi nucleici, Lipidi, Polisaccaridi
Aggregati Macromolecolari
Ribosomi – Sistemi multienzimatici – Membrane cellulari
CELLULA
PROCARIOTICA
PROCARIOTI
EUBATTERI
GRAM +
GRAM -
ARCHEOBATTERI
3 µm
EUBATTERI
ARCHEA
MANCANO DI PEPTIDOGLICNI
NELLA PARETE CELL.,
CELL., LA MEMBR.
CELL. E’ COSTITUITA DA LIPIDI
DIFFERENTI RISPETTO A QUELLI
DEGLI EUBATTERI, LA STRUTTURA
DEI LORO GENI, NONCHE’ LA
SEQUENZA DI MOLTI LORO
RNA E PROTEINE E’ PIU’ SIMILE
A QUELLA DEGLI EUCARIOTI
PIUTTOSTO CHE A QUELLA DEGLI
EUBATTERI.
CELLULA
EUCARIOTICA
COMPARTIMENTALIZZAZIONE
TUTTI GLI ORGANISMI
MULTICELLULARI, (COMPRESI
VEGETALI, FUNGHI ED
ANIMALI) SONO COSTITUITI
DA CELLULE EUCARIOTICHE.
ESISTONO CMQ. ALCUNI
ORGANISMI EUCARIOTI
UNICELLULARI (PROTOZOI,
AMEBE E LIEVITI)
TEORIA DELL’ENDOSIMBIONTE – 1,5 MLD. DI ANNI FA SI PASSAVA
DA UN’ATMOSFERA RIDUCENTE AD UNA OSSIDANTE
NASCITA DEI MITOCONDRI
TEORIA DELL’ENDOSIMBIONTE – 1,5 MLD. DI ANNI FA SI PASSAVA
DA UN’ATMOSFERA RIDUCENTE AD UNA OSSIDANTE
NASCITA DEI CLOROPLASTI
E’ stimato che nel corpo umano
sono presenti circa 1013 cellule
che costituiscono i differenti
tessuti, organi e apparati
COMPARAZIONE TRA ALCUNE CARATTERISTICHE DELLE CELL.
PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE
CARATTERISTICA
PROCARIOTI
EUCARIOTI
Dimensione
Pochi µm
Decine di µm*
Nucleo delimitato da
Membrana
No
Si
Organuli
No
Si
Microtubuli
No
Si
Microfilamenti
No
Si
Filamenti intermedi
No
Si
Esocitosi ed Endocitosi
No
Si
Modal. Divisione Cell.
Scissione
Mitosi e Meiosi
Informazione Genetica
DNA + Proteine
DNA + Proteine
(Cromosomi)
Maturazione dell’RNA
Scarsa
Elevata
Ribosomi
Piccoli (70S)
Grandi (80S)
* Le cellule eucariotiche sono ca. 10 volte più grandi delle procariotiche come
Dimensioni lineari e 1000 volte maggiori come volume.
IL MATERIALE GENETICO
NON ESISTONO SULLA TERRA CELLULE CHE NON CONSERVINO LA LORO INFORMAZIONE
EREDITARIA SOTTO FORMA DI DNA
DNA,, SENZA ALCUNA ECCEZIONE NOTA.
NOTA. DUNQUE IL
MATERIALE
CELLULARI
GENETICO,
GENETICO,
ED
IL
LE
MEMBRANE
METABOLISMO
BASALE
SONO LE CARATTERISTICHE DI BASE CHE
ACCOMUNANO TUTTE LE CELLULE VIVENTI.
VIVENTI.
Unica eccezione presente nei
Retrovirus, virus ad RNA che
integrano il loro genoma all’interno di
quello dell’ospite previa
retrotrascrizione del loro RNA in
DNA!
Duplicazione - Trascrizione Traduzione
DNA
DNA
Trascrizione
RNA
Traduzione
Proteina
- La DUPLICAZIONE è il
processo che porta alla
formazione di copie delle
molecole di DNA ed al
trasferimento del materiale
genetico
- Il processo di
TRASCRIZIONE è il
trasferimento
dell’informazione dal DNA
alle molecole di RNA
- La TRADUZIONE è il
processo mediante il quale si
passa dall’RNA alle proteine
L’intero quantitativo di DNA (codificante
e non) all’interno di una cellula prende
GENOMA.. Tutte le cellule di uno stesso
nome di GENOMA
organismo pluricellulare hanno un identico
Genoma, in quanto derivate
da una cellula progenitore comune
(lo Zigote
Zigote).
). Individui diversi avranno GENOTIPI
differenti ( ameno dei gemelli monozigoti) e ciascun
GENOTIPO è caratterizzante di uno specifico
FENOTIPO..
FENOTIPO
Meccanismi di Regolazione dell’espressione genica
Fase Nucleare
•Scelta del gene che deve essere
espresso
•Maturazione dell’RNA
•Trasferimento NucleoNucleoCitoplasma
Fase Citoplasmatica
•Sintesi delle catene
polipeptidiche
•Modificazioni post
post-traduzionali
•Trasferimento delle proteine
nelle sedi di competenza
Complessità delle reti proteiche intracellulari
31 gruppi funzionali - 1500 proteine
Mappa delle principali vie di segnalazione importanti per il cancro
in cellule umane.
Indica le posizioni cellulari di alcune proteine modificate da
mutazioni e coinvolte nella patogenesi di tumori.