Indice - Libreria Universo

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Indice
PARTE 1
INTRODUZIONE ALLA CELLULA
1 Cellule e genomi
Le caratteristiche universali
delle cellule sulla Terra
Tutte le cellule conservano la loro informazione
ereditaria nello stesso codice chimico
lineare (DNA)
Tutte le cellule replicano la loro informazione
ereditaria mediante polimerizzazione su uno
stampo
Tutte le cellule trascrivono porzioni della loro
informazione ereditaria nella stessa forma
intermedia (RNA)
Tutte le cellule usano proteine come catalizzatori
Tutte le cellule traducono RNA in proteina
allo stesso modo
Il frammento di informazione genetica che
corrisponde ad una proteina è un gene
La vita richiede energia libera
Tutte le cellule funzionano da fabbriche
biochimiche che utilizzano le stesse unità
molecolari di base
Tutte le cellule sono racchiuse da una membrana
plasmatica attraverso la quale devono passare
i nutrienti e i materiali di rifiuto
Una cellula vivente può esistere con meno
di 500 geni
䉴 La diversità dei genomi
e l’albero della vita
Le cellule possono essere alimentate da varie fonti
di energia libera
Alcune cellule fissano azoto e anidride carbonica
per le altre
La diversità biochimica più grande si osserva
fra le cellule procariotiche
L’albero della vita ha tre ramificazioni principali:
i batteri, gli archei e gli eucarioti
Alcuni geni evolvono rapidamente; altri sono
altamente conservati
La maggior parte dei batteri e degli archei
ha 1000-6000 geni
Nuovi geni sono generati da geni preesistenti
Duplicazioni di geni danno origine a famiglie
di geni correlati all’interno di una singola
cellula
I geni possono essere trasferiti fra organismi,
sia in laboratorio che in natura
Il sesso porta a scambi orizzontali
di informazione genetica all’interno
di una specie
La funzione di un gene può spesso essere
dedotta dalla sua sequenza
䉴
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Più di 200 famiglie di geni sono comuni a tutti
e tre i rami principali dell’albero della vita
24
Le mutazioni rivelano le funzioni dei geni
26
I biologi molecolari si sono concentrati
su E. coli
26
䉴 L’informazione genetica
negli eucarioti
28
Le cellule eucariotiche possono avere avuto
origine come predatori
28
Le cellule eucariotiche attuali si sono evolute
da una simbiosi
30
Gli eucarioti hanno genomi ibridi
32
I genomi eucariotici sono grandi
32
I genomi eucariotici sono ricchi di DNA regolatore 33
Il genoma definisce il programma dello sviluppo
multicellulare
33
Molti eucarioti vivono come cellule solitarie:
i protisti
35
Un lievito serve da modello eucariotico minimo
36
I livelli di espressione di tutti i geni di un organismo
possono essere monitorati simultaneamente
37
Per dare un senso alle cellule abbiamo bisogno
della matematica, di computer e di
informazioni quantitative
37
L’Arabidopsis è stata scelta fra 300 000 specie
come vegetale modello
38
Il mondo delle cellule animali è rappresentato
da un verme, da una mosca, da un topo
e da un essere umano
39
Lo studio della Drosophila fornisce una chiave
per lo sviluppo dei vertebrati
39
Il genoma dei vertebrati è un prodotto
di duplicazione ripetuta
41
La ridondanza genetica è un problema
per i genetisti, ma crea opportunità
per l’evoluzione degli organismi
41
Il topo serve da modello per i mammiferi
42
Gli esseri umani manifestano le proprie
peculiarità
44
Nei dettagli siamo tutti diversi
44
Problemi
Bibliografia
45
47
18
19
20
2 Chimica e biosintesi
cellulari
I componenti chimici di una cellula
Le cellule sono formate da pochi tipi di atomi
Gli elettroni più esterni determinano il modo
in cui gli atomi interagiscono
I legami covalenti si formano per condivisione
di elettroni
Esistono diversi tipi di legami covalenti
Un atomo spesso si comporta come se avesse
un raggio fisso
䉴
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24
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Indice
L’acqua è la sostanza più abbondante nelle cellule
Alcune molecole polari sono acidi e basi
Quattro tipi di interazioni non covalenti aiutano
a portare insieme le molecole nelle cellule
Una cellula è formata da composti del carbonio
Le cellule contengono quattro famiglie
principali di piccole molecole organiche
Gli zuccheri forniscono una fonte di energia
per le cellule e sono le subunità
dei polisaccaridi
Gli acidi grassi sono componenti delle membrane
cellulari, oltre a costituire una fonte di energia
Gli amminoacidi sono le subunità delle proteine
I nucleotidi sono le subunità del DNA e dell’RNA
La chimica delle cellule è dominata
da macromolecole con proprietà notevoli
Legami non covalenti specificano sia la forma
precisa di una macromolecola che il suo
legame con altre molecole
䉴 La catalisi e l’uso di energia da parte
delle cellule
Il metabolismo cellulare è organizzato da enzimi
L’ordine biologico è reso possibile dal rilascio
di energia di calore dalle cellule
Gli organismi fotosintetici usano la luce solare
per sintetizzare molecole organiche
Le cellule ottengono energia dall’ossidazione
di molecole organiche
Ossidazione e riduzione comportano
trasferimenti di elettroni
Gli enzimi abbassano le barriere che bloccano
le reazioni chimiche
Il modo in cui gli enzimi trovano i loro substrati:
l’enorme rapidità dei movimenti molecolari
Il cambiamento in energia libera di una reazione
determina se essa può avvenire
La concentrazione dei reagenti influenza il
cambiamento in energia libera e la direzione
di una reazione
Per le reazioni sequenziali i valori di ΔG°
sono additivi
Le molecole trasportatrici attivate sono essenziali
per la biosintesi
La formazione di un trasportatore attivato
è accoppiata a una reazione energeticamente
favorevole
L’ATP è la molecola trasportatrice attivata più usata
L’energia conservata nell’ATP è spesso
imbrigliata per unire due molecole
NADH e NADPH sono importanti trasportatori
di elettroni
Nelle cellule ci sono molte altre molecole
trasportatrici attivate
La sintesi dei polimeri biologici richiede
un apporto di energia
䉴 Il modo in cui le cellule ottengono energia
dal cibo
La glicolisi è una via centrale che produce ATP
Le fermentazioni producono ATP in assenza
di ossigeno
La glicolisi illustra il modo in cui gli enzimi
accoppiano l’ossidazione alla conservazione
dell’energia
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Gli organismi conservano le molecole di cibo
in depositi speciali
Durante il digiuno la maggior parte delle cellule
animali deriva l’energia dagli acidi grassi
Zuccheri e grassi sono entrambi degradati
ad acetil CoA nei mitocondri
Il ciclo dell’acido citrico genera NADH
ossidando gruppi acetile a CO2
Il trasporto degli elettroni spinge la sintesi della
maggior parte dell’ATP in quasi tutte le cellule
Gli amminoacidi e i nucleotidi sono parte
del ciclo dell’azoto
Il metabolismo è organizzato e regolato
Problemi
Bibliografia
䊏 QUADRO 2.1 Legami e gruppi chimici incontrati
comunemente nelle molecole biologiche
䊏 QUADRO 2.2 L’acqua e la sua influenza sul
comportamento delle molecole biologiche
䊏 QUADRO 2.3 I tipi principali di legami
non covalenti deboli che tengono insieme
le macromolecole
䊏 QUADRO 2.4 Alcuni tipi di zuccheri
comunemente presenti nelle cellule
䊏 QUADRO 2.5 Acidi grassi e altri lipidi
䊏 QUADRO 2.6 Una rassegna dei nucleotidi
䊏 QUADRO 2.7 Energia libera e reazioni
biologiche
䊏 QUADRO 2.8 Dettagli dei 10 passaggi
della glicolisi
䊏 QUADRO 2.9 Il ciclo completo dell’acido citrico
98
101
101
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3 Le proteine
La forma e la struttura delle proteine
La forma di una proteina è specificata dalla sua
sequenza di amminoacidi
Le proteine si ripiegano nella conformazione
con l’energia più bassa
䊏 QUADRO 3.1 I 20 amminoacidi che si trovano
䉴
132
132
134
nelle proteine
136
una piccola proteina: il dominio SH2
140
L’α elica e il foglietto β sono schemi comuni
di ripiegamento
138
䊏 QUADRO 3.2 Quattro modi diversi di rappresentare
I domini proteici sono unità modulari che
costituiscono le proteine più grandi
Poche delle molte catene polipeptidiche
possibili sono utili per le cellule
Le proteine possono essere classificate in molte
famiglie
Le ricerche di omologie di sequenza possono
identificare parenti stretti
Alcuni domini proteici formano parti di molte
proteine diverse
Certe coppie di domini si trovano insieme
in molte proteine
Il genoma umano codifica una serie complessa
di proteine, la funzione di molte delle quali
è sconosciuta
Le molecole proteiche più grandi spesso
contengono più di una catena polipeptidica
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Alcune proteine formano lunghi filamenti
elicoidali
Molte molecole proteiche hanno una forma
allungata fibrosa
Molte proteine contengono quantità
sorprendentemente grandi di catena
polipeptidica non strutturata
Le proteine extracellulari sono spesso
stabilizzate da legami crociati covalenti
Molecole proteiche spesso servono da subunità
per l’assemblaggio di grandi strutture
Molte strutture nelle cellule sono capaci
di autoassemblaggio
La formazione di complesse strutture
biologiche è spesso aiutata da fattori
di assemblaggio
䉴 Funzione delle proteine
Tutte le proteine si legano ad altre molecole
La conformazione della superficie di una proteina
ne determina la chimica
Il confronto delle sequenze fra membri di una
famiglia proteica evidenzia siti di legame
cruciali
Le proteine si legano ad altre proteine tramite
parecchi tipi di interfaccia
I siti di legame degli anticorpi sono
particolarmente versatili
La forza di legame è misurata dalla costante
di equilibrio
Gli enzimi sono catalizzatori potenti e altamente
specifici
Il legame del substrato è il primo passaggio della
catalisi enzimatica
Gli enzimi accelerano le reazioni stabilizzando
selettivamente gli stati di transizione
䊏 QUADRO 3.3 Alcuni dei metodi usati per studiare
gli enzimi
165
La regolazione delle proteina chinasi Cdk
e Src mostra come una proteina possa
funzionare da microchip
Proteine che legano e idrolizzano GTP
sono regolatori cellulari ubiquitari
Proteine regolatrici controllano l’attività
di proteine che legano GTP determinando
se è legato GTP o GDP
Grandi movimenti di proteine possono essere
generati da piccoli movimenti
Motori proteici producono grandi movimenti
nelle cellule
Trasportatori legati a membrane imbrigliano
energia per pompare molecole attraverso
le membrane
Le proteine spesso formano grandi complessi
che funzionano come macchine proteiche
Macchine proteiche con parti intercambiabili
fanno un uso efficiente dell’informazione
genetica
L’attivazione di macchine proteiche spesso
comporta il loro posizionamento
in siti specifici
Molte proteine sono controllate da modificazioni
covalenti in siti multipli
Una rete complessa di interazioni fra proteine
è alla base del funzionamento della cellula
166
Problemi
Bibliografia
151
154
154
155
156
158
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204
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170
Gli enzimi possono usare simultaneamente
catalisi acida e basica
172
Il lisozima illustra il modo in cui lavora
un enzima
173
Piccole molecole strettamente legate aggiungono
funzioni extra alle proteine
175
Tunnel molecolari incanalano i substrati
negli enzimi con siti catalitici multipli
176
Complessi multienzimatici aiutano
ad aumentare la velocità del metabolismo
cellulare
177
La cellula regola le attività catalitiche dei suoi
enzimi
178
Gli enzimi allosterici hanno due o più siti
di legame che interagiscono
180
Due ligandi i cui siti di legame sono accoppiati
devono influenzare reciprocamente
il loro attacco
180
Complessi simmetrici di proteine producono
transizioni allosteriche cooperative
181
La transizione allosterica nell’aspartato
transcarbamilasi è compresa a livello atomico 182
Molti cambiamenti delle proteine sono spinti
da fosforilazione proteica
184
Una cellula eucariotica contiene un gran numero
di proteina chinasi e proteina fosfatasi
185
PARTE 2
MECCANISMI GENETICI DI BASE
4 DNA, cromosomi
e genomi
La struttura e la funzione del DNA
Una molecola di DNA consiste di due catene
complementari di nucleotidi
La struttura del DNA fornisce un meccanismo
per l’eredità
Negli eucarioti il DNA è racchiuso in un nucleo
cellulare
䉴 Il DNA cromosomico e il suo
compattamento nella fibra di cromatina
Il DNA eucariotico è compattato in una serie
di cromosomi
I cromosomi contengono lunghe stringhe
di geni
La sequenza nucleotidica del genoma umano
mostra come sono disposti i nostri geni
Il confronto fra i genomi rivela sequenze di DNA
conservate durante l’evoluzione
I cromosomi esistono in stati diversi durante
la vita di una cellula
Ogni molecola di DNA che forma un cromosoma
lineare deve contenere un centromero, due
telomeri e origini della replicazione
Le molecole di DNA sono altamente condensate
nei cromosomi
䉴
209
209
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220
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I nucleosomi sono l’unità base della struttura
dei cromosomi eucariotici
La struttura della particella centrale
del nucleosoma rivela il modo in cui il DNA
è compattato
I nucleosomi hanno una struttura dinamica
e sono spesso soggetti a cambiamenti
catalizzati da complessi di rimodellamento
della cromatina dipendenti da ATP
I nucleosomi sono in genere compattati insieme
in una fibra compatta di cromatina
䉴 La regolazione della struttura
della cromatina
Alcuni vecchi misteri riguardo alla struttura
della cromatina
L’eterocromatina è altamente organizzata
e particolarmente resistente all’espressione
genica
Gli istoni del nucleo sono modificati
covalentemente a livello di molti siti diversi
La cromatina acquisisce un’ulteriore varietà
tramite l’inserzione sito-specifica
di una piccola serie di varianti istoniche
Le modificazioni covalenti e le varianti istoniche
agiscono insieme per produrre un “codice
istonico” che aiuta a determinare la funzione
biologica
Un complesso di proteine che leggono il codice
e che scrivono il codice può diffondere
modificazioni specifiche della cromatina
a grande distanza lungo un cromosoma
Sequenze barriera di DNA bloccano
la diffusione dei complessi lettore-scrittore
separando così domini confinanti di cromatina
La cromatina dei centromeri rivela il modo in cui
le varianti istoniche possono creare strutture
speciali
Le strutture della cromatina possono essere
ereditate direttamente
Le strutture della cromatina aggiungono
caratteristiche uniche alla funzione
dei cromosomi
䉴 La struttura globale dei cromosomi
I cromosomi sono ripiegati in grandi anse
di cromatina
I cromosomi politenici sono utili in quanto
permettono di visualizzare le strutture
della cromatina
Esistono forme multiple di eterocromatina
Le anse di cromatina si decondensano quando
i geni al loro interno vengono espressi
La cromatina si può spostare in siti specifici
all’interno del nucleo per alterare
l’espressione dei geni
Reti di macromolecole formano una serie
di ambienti biochimici distinti all’interno
del nucleo
I cromosomi mitotici sono formati da cromatina
nel suo stato più condensato
䉴 Il modo in cui evolvono i genomi
Alterazioni del genoma sono causate da errori
dei normali meccanismi di copiatura
e di mantenimento del DNA
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242
Le sequenze dei genomi di due specie
differiscono in proporzione al tempo
durante il quale si sono evolute
separatamente
Gli alberi filogenetici costruiti dal confronto
di sequenze di DNA tracciano le relazioni
fra tutti gli organismi
Un confronto dei cromosomi umani e di quelli
di topo mostra come divergono le strutture
dei genomi
Le dimensioni del genoma di un vertebrato
riflettono il ritmo relativo di aggiunta
e perdita di DNA in una linea
È possibile ricostruire la sequenza di alcuni
genomi antichi
I confronti di sequenze fra specie multiple
identificano sequenze importanti di DNA
a funzione sconosciuta
Cambiamenti accelerati in sequenze
precedentemente conservate possono aiutare
a decifrare passaggi critici dell’evoluzione
dell’uomo
La duplicazione genica fornisce una fonte
importante di novità genetica durante
l’evoluzione
I geni duplicati divergono
L’evoluzione della famiglia dei geni delle globine
mostra come duplicazioni del DNA
contribuiscano all’evoluzione degli organismi
Geni che codificano nuove proteine possono
essere creati dalla ricombinazione di esoni
Le mutazioni neutre spesso diffondono
per fissarsi in una popolazione, con una
probabilità che dipende dalle dimensioni
della popolazione
Dall’analisi della variazione fra gli esseri umani
si possono imparare molte cose
244
Problemi
Bibliografia
224
225
228
230
232
233
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272
273
275
276
5 Replicazione, riparazione
e ricombinazione del DNA
Il mantenimento delle sequenze di DNA
Le frequenze di mutazione sono estremamente
basse
Basse frequenze di mutazione sono necessarie
per la vita così come la conosciamo
䉴 Meccanismi di replicazione del DNA
L’appaiamento delle basi è alla base
della replicazione e della riparazione
del DNA
La forcella di replicazione del DNA
è asimmetrica
L’alta fedeltà della replicazione del DNA richiede
parecchi meccanismi di correzione
delle bozze
Soltanto la replicazione nella direzione 5’-3’
permette una correzione efficiente
degli errori
Uno speciale enzima che polimerizza nucleotidi
sintetizza brevi molecole di RNA primer sul
filamento ritardato
䉴
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279
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281
281
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Proteine speciali aiutano ad aprire la doppia
elica del DNA davanti alla forcella
di replicazione
288
Un anello scorrevole trattiene una molecola in
289
movimento di DNA polimerasi sul DNA
Le proteine a livello di una forcella di replicazione
cooperano per formare una macchina
di replicazione
291
Un sistema di riparazione delle basi male appaiate
diretto dal filamento rimuove gli errori di
replicazione che sfuggono alla macchina di
replicazione
292
Le DNA topoisomerasi impediscono al DNA
293
di aggrovigliarsi durante la replicazione
La replicazione del DNA è fondamentalmente
simile negli eucarioti e nei batteri
295
䉴 L’inizio e il completamento della
replicazione del DNA nei cromosomi
296
La sintesi del DNA inizia alle origini di replicazione 296
I cromosomi batterici hanno in genere
una singola origine di replicazione del DNA
297
I cromosomi eucariotici contengono origini
multiple di replicazione
298
Negli eucarioti la replicazione del DNA avviene
soltanto durante una parte del ciclo cellulare 300
Regioni diverse dello stesso cromosoma
si replicano in momenti distinti della fase S
300
La cromatina altamente condensata si replica
tardi, mentre i geni nella cromatina meno
condensata tendono a replicarsi presto
301
Sequenze di DNA ben definite servono
da origini di replicazione in un eucariote
semplice, il lievito che si riproduce
per gemmazione
302
Un grande complesso multisubunità si lega
alle origini di replicazione degli eucarioti
303
Le sequenze di DNA di mammifero
che specificano l’inizio della replicazione
sono state difficili da identificare
304
Nuovi nucleosomi sono assemblati dietro
la forcella di replicazione
305
Il meccanismo di duplicazione dei cromosomi
eucariotici assicura che gli schemi
di modificazione degli istoni possano essere
ereditati
307
La telomerasi replica le estremità dei cromosomi 307
La lunghezza dei telomeri è regolata da cellule
e organismi
308
䉴 La riparazione del DNA
311
Senza la riparazione del DNA il danno spontaneo
al DNA cambierebbe rapidamente le sequenze 312
La doppia elica del DNA viene prontamente
riparata
313
Il danno al DNA può essere rimosso da più
di una via
313
L’accoppiamento della riparazione del DNA
alla trascrizione assicura che il DNA più
importante per la cellula venga riparato
in modo efficiente
316
La chimica delle basi del DNA facilita il
riconoscimento del danno
316
DNA polimerasi speciali sono usate per riparare
il DNA in situazioni di emergenza
318
Le rotture a doppio filamento sono riparate
in modo efficiente
Il danno al DNA ritarda la progressione del ciclo
cellulare
䉴 La ricombinazione omologa
La ricombinazione omologa ha molti usi
nella cellula
La ricombinazione omologa ha caratteristiche
comuni in tutte le cellule
La ricombinazione omologa è guidata
da appaiamento delle basi del DNA
La proteina RecA e i suoi omologhi permettono
ad un singolo filamento di DNA di appaiarsi
con una regione omologa di una doppia
elica di DNA
La migrazione del punto di incrocio può
ingrandire le regioni eteroduplex o rilasciare
DNA di nuova sintesi sotto forma di filamento
singolo
La ricombinazione omologa può riparare
perfettamente le rotture a doppio filamento
nel DNA
Le cellule regolano attentamente l’uso della
ricombinazione omologa nella riparazione
del DNA
Durante gli eventi di ricombinazione omologa
spesso si formano delle giunzioni di Holliday
La ricombinazione meiotica inizia con una
rottura a doppio filamento programmabile
La ricombinazione omologa spesso porta
a conversione genica
La correzione delle basi male appaiate impedisce
la ricombinazione promiscua fra due sequenze
di DNA poco corrispondenti
䉴 Trasposizione e ricombinazione
sito-specifica conservativa
Tramite la trasposizione gli elementi genetici
mobili si possono inserire in qualunque
sequenza di DNA
I trasposoni a solo DNA si muovono mediante
meccanismi sia di taglia e cuci che replicativi
Alcuni virus usano un meccanismo
di trasposizione per spostarsi nei cromosomi
della cellula ospite
I retrotrasposoni similretrovirali assomigliano ai
retrovirus, ma sono privi di un rivestimento
proteico
Una grande frazione del genoma umano
è composta da retrotrasposoni non retrovirali
Elementi trasponibili diversi predominano
in organismi diversi
Le sequenze dei genomi rivelano i tempi
approssimativi in cui gli elementi trasponibili
si sono mossi
La ricombinazione sito-specifica conservativa
può riarrangiare reversibilmente il DNA
La ricombinazione sito-specifica conservativa
è stata scoperta nel batteriofago λ
La ricombinazione sito-specifica conservativa
può essere usata per accendere e spegnere
i geni
Problemi
Bibliografia
VII
318
320
320
321
321
322
323
324
325
325
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329
331
331
332
333
334
336
338
338
339
339
340
341
342
344
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6 Il modo in cui le cellule
leggono il genoma:
dal DNA alle proteine
Da DNA a RNA
350
Porzioni di sequenze di DNA sono trascritte
in RNA
350
La trascrizione produce RNA complementare
ad un filamento di DNA
351
Le cellule producono parecchi tipi di RNA
353
Segnali codificati nel DNA indicano alla RNA
polimerasi dove iniziare e dove fermarsi
355
I segnali di inizio e fine della trascrizione hanno
sequenze nucleotidiche eterogenee
356
L’inizio della trascrizione negli eucarioti richiede
molte proteine
358
L’RNA polimerasi II richiede i fattori generali
di trascrizione
359
La polimerasi II richiede anche proteine attivatrici,
mediatrici e di modificazione della cromatina 361
L’allungamento della trascrizione produce una
tensione di superavvolgimento nel DNA
362
L’allungamento della trascrizione negli eucarioti
è strettamente accoppiato alla modificazione
dell’RNA
363
L’aggiunta del cappuccio all’RNA è la prima
modificazione dei pre-mRNA eucariotici
364
Lo splicing dell’RNA rimuove sequenze introniche
dai pre-mRNA appena trascritti
366
Sequenze nucleotidiche segnalano dove deve
avvenire lo splicing
367
Lo splicing dell’RNA è eseguito dallo spliceosoma 368
Lo spliceosoma usa l’idrolisi di ATP per produrre
una serie complessa di riarrangiamenti
RNA-RNA
369
Altre proprietà del pre-mRNA e della sua sintesi
aiutano a spiegare come sono scelti i siti
corretti di splicing
371
Una seconda serie di snRNP esegue lo splicing
di una piccola frazione di sequenze introniche
negli animali e nei vegetali
372
Lo splicing dell’RNA mostra una notevole
plasticità
374
Lo splicing dell’RNA catalizzato dallo spliceosoma
si è probabilmente evoluto da meccanismi
di autosplicing
374
Enzimi di modificazione dell’RNA generano
l’estremità 3’ degli mRNA eucariotici
375
Gli mRNA eucariotici maturi sono esportati
selettivamente dal nucleo
377
Anche molti RNA che non codificano sono
sintetizzati e modificati nel nucleo
379
Il nucleolo è una fabbrica che produce ribosomi 381
Il nucleo contiene varie strutture subnucleari
382
䉴 Da RNA a proteine
385
Una sequenza di mRNA viene decodificata
in serie di tre nucleotidi
385
Molecole di tRNA appaiano gli amminoacidi
ai codoni dell’mRNA
386
I tRNA sono modificati covalentemente prima
388
di uscire dal nucleo
Enzimi specifici accoppiano ciascun amminoacido
alla molecola appropriata di tRNA
389
䉴
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Un controllo da parte delle RNA sintetasi
assicura accuratezza
Gli amminoacidi sono aggiunti all’estremità
C-terminale di una catena polipeptidica
in crescita
Il messaggio dell’RNA è decodificato
nei ribosomi
I fattori di allungamento spingono in avanti
la traduzione e ne migliorano l’accuratezza
Il ribosoma è un ribozima
Sequenze nucleotidiche nell’mRNA segnalano
dove iniziare la sintesi proteica
I codoni di stop segnano la fine della traduzione
Le proteine sono prodotte su poliribosomi
Nel codice genetico standard esistono piccole
variazioni
Gli inibitori della sintesi proteica procariotica
sono utili come antibiotici
L’accuratezza della traduzione richiede
il consumo di energia libera
Meccanismi di controllo di qualità operano
per impedire la traduzione di mRNA
danneggiati
Alcune proteine iniziano a ripiegarsi mentre
vengono ancora sintetizzate
Chaperoni molecolari aiutano a guidare
il ripiegamento di molte proteine
Regioni idrofobiche esposte forniscono segnali
cruciali per il controllo di qualità
delle proteine
Il proteasoma è una proteasi compartimentata
con siti attivi sequestrati
Un sistema elaborato di coniugazione
dell’ubiquitina marca le proteine per la
distruzione
Molte proteine sono controllate da distruzione
regolata
Le proteine ripiegate in modo anormale possono
aggregarsi causando malattie umane
distruttive
Ci sono molti passaggi da DNA a proteine
䉴 Il mondo a RNA e le origini della vita
La vita richiede conservazione delle informazioni
I polinucleotidi possono sia conservare
informazioni sia catalizzare reazioni chimiche
Un mondo pre-RNA probabilmente ha preceduto
il mondo a RNA
Le molecole di RNA a singolo filamento possono
ripiegarsi in strutture altamente elaborate
Molecole autoreplicanti subiscono una selezione
naturale
In che modo si è evoluta la sintesi proteica?
Tutte le cellule attuali usano DNA come materiale
ereditario
Problemi
Bibliografia
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7 Controllo dell’espressione
dei geni
Una rassegna del controllo dei geni
I diversi tipi cellulari di un organismo
multicellulare contengono lo stesso DNA
䉴
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Tipi cellulari diversi sintetizzano serie diverse
di proteine
Una cellula può cambiare l’espressione dei suoi
geni in risposta a segnali esterni
L’espressione genica può essere regolata a livello
di molti passaggi nella via DNA-RNA-proteine
䉴 Motivi che legano il DNA nelle proteine
che regolano i geni
Le proteine regolatrici dei geni sono state
scoperte usando la genetica batterica
L’esterno dell’elica del DNA può essere letto
da proteine
Brevi sequenze di DNA sono componenti
fondamentali degli interruttori genetici
Le proteine regolatrici dei geni contengono
motivi strutturali che possono leggere
sequenze di DNA
Il motivo elica-giro-elica è uno dei motivi
più semplici e più comuni che legano il DNA
Le proteine a omeodominio costituiscono
una classe speciale di proteine elica-giro-elica
Esistono parecchi tipi di motivi a dita di zinco
che legano il DNA
Anche i foglietti β possono riconoscere il DNA
Alcune proteine usano anse che entrano
nella scanalatura principale e in quella
secondaria per riconoscere il DNA
Il motivo a cerniera lampo di leucina media sia
l’attacco al DNA che la dimerizzazione della
proteina
L’eterodimerizzazione espande il repertorio
di sequenze di DNA riconosciute da proteine
che regolano i geni
Anche il motivo elica-ansa-elica media
dimerizzazione e legame al DNA
Non è ancora possibile prevedere le sequenze
di DNA riconosciute da tutte le proteine
che regolano i geni
Un saggio di spostamento della mobilità
elettroforetica rivela proteine che legano
sequenze specifiche di DNA
La cromatografia di affinità al DNA facilita la
purificazione di proteine che legano una
sequenza specifica di DNA
La sequenza di DNA riconosciuta da una proteina
che regola i geni può essere determinata
sperimentalmente
Il footprinting filogenetico identifica sequenze
regolatrici di DNA tramite genomica
comparativa
L’ immunoprecipitazione della cromatina
identifica molti siti occupati da proteine
che regolano i geni in cellule viventi
䉴 Il modo in cui funzionano gli interruttori
genetici
Il repressore del triptofano è un semplice
interruttore che accende e spegne geni
nei batteri
Gli attivatori trascrizionali accendono i geni
Un attivatore trascrizionale e un repressore
trascrizionale controllano il Lac operon
Durante la regolazione dei geni nei batteri
si formano anse di DNA
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I batteri usano subunità intercambiabili dell’RNA
polimerasi per aiutare a regolare la trascrizione
dei geni
Interruttori complessi si sono evoluti
per controllare la trascrizione dei geni
negli eucarioti
Una regione regolatrice eucariotica consiste
di un promotore e di sequenze regolatrici
di DNA
Le proteine che attivano i geni eucariotici
promuovono l’assemblaggio della RNA
polimerasi e dei fattori generali di trascrizione
al punto di inizio della trascrizione
Le proteine che attivano i geni degli eucarioti
modificano anche la struttura locale
della cromatina
Le proteine attivatrici funzionano sinergicamente
Proteine eucariotiche che reprimono i geni
possono inibire la trascrizione in vari modi
Le proteine che regolano i geni eucariotici
spesso si legano al DNA in modo cooperativo
Interruttori genetici complessi che regolano
lo sviluppo della Drosophila sono costruiti
a partire da moduli più piccoli
Il gene Eve di Drosophila è regolato da controlli
combinatori
Regioni di controllo complesse dei geni dei
mammiferi sono anch’esse costruite
con semplici moduli regolatori
Gli isolatori sono sequenze di DNA che
impediscono alle proteine che regolano
i geni eucariotici di influenzare geni
distanti
Gli interruttori dei geni evolvono rapidamente
䉴 I meccanismi genetici molecolari
che creano tipi cellulari specializzati
Riarrangiamenti del DNA mediano la variazione
di fase nei batteri
Una serie di proteine che regolano i geni
determina il tipo cellulare nel lievito
che si riproduce per gemmazione
Due proteine che reprimono la sintesi l’una
dell’altra determinano lo stato ereditabile
del batteriofago lambda
Semplici circuiti che regolano i geni possono
essere usati per costruire dispositivi
di memoria
Circuiti di trascrizione permettono alla cellula
di eseguire operazioni logiche
La biologia sintetica crea nuovi dispositivi
da parti biologiche esistenti
Gli orologi circadiani sono basati su circuiti
a feedback nella regolazione dei geni
L’espressione di una serie di geni può essere
coordinata da una singola proteina regolatrice
L’espressione di una proteina regolatrice decisiva
può scatenare l’espressione di un’intera
batteria di geni a valle
Il controllo combinatorio dei geni crea molti tipi
cellulari diversi negli eucarioti
La formazione di un intero organo può
essere scatenata da una singola proteina
regolatrice
IX
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Indice
Lo schema di metilazione del DNA può essere
ereditato quando le cellule dei vertebrati
si dividono
L’imprinting genomico si basa sulla metilazione
del DNA
Isole ricche di CG sono associate a molti geni nei
mammiferi
Meccanismi epigenetici assicurano che schemi
stabili di espressione genica possano essere
trasmessi alle cellule figlie
Alterazioni su scala cromosomica
della struttura della cromatina possono
essere ereditate
Il controllo dell’espressione genica è
intrinsecamente rumoroso
䉴 Controlli post-trascrizionali
L’attenuazione della trascrizione provoca la
terminazione prematura di alcune molecole
di RNA
I ribointerruttori potrebbero rappresentare
forme antiche di controllo dei geni
Lo splicing alternativo dell’RNA può produrre
forme diverse di una proteina dallo stesso
gene
La definizione di un gene ha dovuto essere
modificata in seguito alla scoperta
dello splicing alternativo dell’RNA
La determinazione del sesso in Drosophila
dipende da una serie regolata di eventi
di splicing dell’RNA
Un cambiamento nel sito di taglio del trascritto
di RNA e di aggiunta del poli-A può
modificare il C-terminale di una proteina
L’editing dell’RNA può cambiare il significato
del messaggio dell’RNA
Il trasporto dell’RNA dal nucleo può essere
regolato
Alcuni mRNA sono localizzati in regioni
specifiche del citoplasma
Le regioni non tradotte 5’ e 3’ degli mRNA
ne controllano la traduzione
La fosforilazione di un fattore di inizio regola
in modo globale la sintesi proteica
L’inizio a livello di codoni AUG a monte
dell’inizio della traduzione può regolare
l’inizio della traduzione negli eucarioti
Siti interni di ingresso dei ribosomi forniscono
opportunità per il controllo della traduzione
L’espressione dei geni può essere controllata
da un cambiamento nella stabilità
dell’mRNA
L’aggiunta citoplasmatica di poli-A può regolare
la traduzione
Piccoli RNA non codificanti regolano molti geni
degli animali e dei vegetali
L’interferenza da RNA è un meccanismo
di difesa cellulare
L’interferenza da RNA può dirigere la formazione
di eterocromatina
L’interferenza da RNA è diventata un potente
strumento sperimentale
Problemi
Bibliografia
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PARTE 3
METODI
487
489
491
8 Manipolazione di proteine,
DNA e RNA
Isolamento delle cellule e loro crescita
in coltura
Le cellule possono essere isolate da tessuti intatti
Le cellule possono essere cresciute in coltura
Le linee cellulari eucariotiche sono una fonte
molto usata di cellule omogenee
Le cellule staminali embrionali potrebbero
rivoluzionare la medicina
Il trapianto nucleare di cellule somatiche può
fornire un modo di generare cellule staminali
personalizzate
Le linee cellulari di ibridoma sono fabbriche
che producono anticorpi monoclonali
䉴 Purificazione delle proteine
Le cellule possono essere separate nelle frazioni
che le compongono
Gli estratti cellulari forniscono sistemi accessibili
per studiare le funzioni cellulari
Le proteine possono essere separate mediante
cromatografia
La cromatografia di affinità sfrutta siti specifici
di legame sulle proteine
Etichette ingegnerizzate geneticamente
forniscono un modo facile di purificare
le proteine
Sistemi acellulari purificati sono necessari per
l’analisi precisa delle funzioni molecolari
䉴 Analisi delle proteine
Le proteine possono essere separate mediante
elettroforesi su gel di poliacrilamide
in SDS
Proteine specifiche possono essere rivelate
mediante blot con anticorpi specifici
La spettrometria di massa è un metodo altamente
sensibile per identificare proteine sconosciute
I metodi di separazione bidimensionali sono
particolarmente potenti
Misurazioni idrodinamiche rivelano le dimensioni
e la forma di un complesso proteico
Serie di proteine interagenti possono essere
identificate con metodi biochimici
Le interazioni proteina-proteina possono essere
identificate anche usando la tecnica
del doppio ibrido di lievito
La combinazione dei dati derivati da tecniche
diverse produce mappe affidabili
di interazione fra proteine
Le interazioni fra proteine possono essere
monitorate in tempo reale usando metodi
ottici
Alcune tecniche possono monitorare singole
molecole
La funzione delle proteine può essere inibita
selettivamente con piccole molecole
La diffrazione dei raggi X può rivelare la struttura
di una proteina
䉴
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La NMR può essere usata per determinare
la struttura delle proteine in soluzione
La sequenza e la struttura di una proteina
forniscono indizi sulla sua funzione
䉴 Analisi e manipolazione del DNA
Le nucleasi di restrizione tagliano in frammenti
grosse molecole di DNA
L’elettroforesi su gel separa molecole di DNA
di dimensioni diverse
Molecole purificate di DNA possono essere
marcate specificamente con radioisotopi
o marcatori chimici in vitro
Le reazioni di ibridazione degli acidi nucleici
forniscono un modo sensibile di rivelare
sequenze nucleotidiche specifiche
Il Northern e il Southern blot facilitano
l’ibridazione con molecole di acidi nucleici
separate elettroforeticamente
I geni possono essere clonati da una libreria
di DNA
Due tipi di librerie di DNA servono a scopi diversi
I cloni di cDNA contengono sequenze codificanti
non interrotte
I geni possono essere amplificati selettivamente
mediante PCR
Le cellule possono essere usate come fabbriche
per produrre proteine specifiche
Le proteine e gli acidi nucleici possono essere
sintetizzati direttamente mediante reazioni
chimiche
Il DNA può essere sequenziato rapidamente
Le sequenze dei nucleotidi sono usate per predire
le sequenze degli amminoacidi delle proteine
I genomi di molti organismi sono stati
sequenziati completamente
䉴 Studio dell’espressione e della funzione
dei geni
La genetica classica inizia interrompendo
un processo cellulare mediante mutagenesi
casuale
䊏 QUADRO 8.1 Una rassegna della genetica classica
Screening genetici identificano mutanti
con anomalie specifiche
Le mutazioni possono provocare perdita
o guadagno della funzione della proteina
Un test di complementazione rivela se due
mutazioni sono nello stesso gene
o in geni diversi
I geni possono essere ordinati in vie mediante
analisi dell’epistasi
I geni identificati da mutazioni si possono clonare
La genetica umana presenta problemi
e opportunità particolari
I geni umani sono ereditati in blocchi di aplotipo,
che possono aiutare la ricerca di mutazioni
che causano malattie
I tratti complessi sono influenzati da più
di un gene
La genetica inversa inizia con un gene noto
e determina quali processi cellulari richiedono
la sua funzione
I geni possono essere ingegnerizzati in molti
modi
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Geni ingegnerizzati possono essere inseriti
nella linea germinale di molti organismi
Gli animali possono essere alterati
geneticamente
Le piante transgeniche sono importanti sia
per la biologia cellulare che per l’agricoltura
Grandi raccolte di knockout etichettati
forniscono uno strumento per esaminare
la funzione di ogni gene in un organismo
L’interferenza da RNA è un metodo semplice
e rapido per controllare la funzione dei geni
I geni reporter e l’ibridazione in situ rivelano
quando e dove un gene è espresso
L’espressione di singoli geni può essere misurata
usando la RT-PCR quantitativa
I microarray monitorano simultaneamente
l’espressione di migliaia di geni
L’analisi dell’espressione genica in una singola
cellula rivela il “rumore” biologico
Problemi
Bibliografia
XI
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597
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603
604
9 Visualizzazione
delle cellule
Osservazione delle cellule al microscopio
ottico
Il microscopio ottico può risolvere dettagli
separati da 0,2 μm
Le cellule viventi si vedono chiaramente in un
microscopio a contrasto di fase o a contrasto
di interferenza differenziale
Le immagini possono essere migliorate
e analizzate con tecniche digitali
I tessuti intatti sono di solito fissati e sezionati
per la microscopia
Molecole specifiche possono essere localizzate
nelle cellule con la microscopia a fluorescenza
Gli anticorpi possono essere usati per rivelare
molecole specifiche
La visualizzazione di oggetti tridimensionali
complessi è possibile con il microscopio ottico
Il microscopio confocale produce sezioni ottiche
escludendo la luce fuori fuoco
Proteine fluorescenti possono essere usate
per etichettare singole proteine in cellule
e organismi viventi
La dinamica delle proteine può essere seguita
in cellule viventi
Concentrazioni ioniche intracellulari
che cambiano rapidamente possono essere
misurate con indicatori che emettono luce
Ci sono parecchi modi di introdurre nelle cellule
molecole impermeabili alla membrana
La luce può essere usata per manipolare oggetti
microscopici oltre che per visualizzarli
Singole molecole possono essere visualizzate
usando la microscopia a fluorescenza
a riflessione interna totale
Singole molecole possono essere toccate
e spostate con il microscopio a forza atomica
Le molecole possono essere marcate
con radioisotopi
䉴
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I radioisotopi sono usati per seguire molecole
in cellule e organismi
䉴 Osservazione di cellule e molecole
al microscopio elettronico
Il microscopio elettronico risolve la struttura fine
della cellula
I campioni biologici richiedono una preparazione
speciale per il microscopio elettronico
Macromolecole specifiche possono essere
localizzate mediante microscopia elettronica
immunogold
Immagini di superfici possono essere ottenute
mediante microscopia elettronica a scansione
L’ombreggiatura con metalli permette
di esaminare caratteristiche di superficie
ad alta risoluzione mediante la microscopia
elettronica a trasmissione
La colorazione negativa e la microscopia
crioelettronica permettono di visualizzare
macromolecole ad alta risoluzione
Immagini multiple possono essere combinate
per aumentare la risoluzione
Immagini diverse di un singolo oggetto possono
essere combinate per ottenere ricostruzioni
tridimensionali
Problemi
Bibliografia
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637
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640
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L’ORGANIZZAZIONE INTERNA
DELLA CELLULA
I principi del trasporto di membrana
I doppi strati lipidici privi di proteine sono
altamente impermeabili agli ioni
Ci sono due classi principali di proteine
di trasporto di membrana: trasportatori
e canali
Il trasporto attivo è mediato da trasportatori
accoppiati ad una fonte di energia
䉴 Trasportatori e trasporto attivo
di membrana
Il trasporto attivo può essere spinto da gradienti
ionici
Trasportatori nella membrana plasmatica
regolano il pH citosolico
Una distribuzione asimmetrica di trasportatori
nelle cellule epiteliali è alla base del trasporto
transcellulare di soluti
Ci sono tre classi di pompe spinte da ATP
La pompa Ca2+ è l’ATPasi di tipo P meglio
conosciuta
La pompa Na+-K+ di tipo P della membrana
plasmatica stabilisce il gradiente di Na+
attraverso la membrana plasmatica
䊏 QUADRO 11.1 Equilibrio intracellulare
䉴
10 La struttura della membrana
Il doppio strato lipidico
Fosfogliceridi, sfingolipidi e steroli sono i lipidi
principali delle membrane cellulari
I fosfolipidi formano spontaneamente doppi strati
Il doppio strato lipidico è un fluido
bidimensionale
La fluidità di un doppio strato lipidico dipende
dalla sua composizione
Nonostante la loro fluidità, i doppi strati lipidici
possono formare domini con composizione
diversa
Le goccioline lipidiche sono circondate
da un monostrato fosfolipidico
L’asimmetria del doppio strato lipidico
è funzionalmente importante
I glicolipidi si trovano sulla superficie di tutte
le membrane plasmatiche
䉴 Le proteine di membrana
Le proteine di membrana possono essere
associate con il doppio strato lipidico
in vari modi
Le ancore lipidiche controllano la localizzazione
di membrana di alcune proteine
di segnalazione
Problemi
Bibliografia
659
661
662
663
665
668
670
671
673
674
677
678
11 Il trasporto di membrana
di piccole molecole
e le proprietà elettriche
delle membrane
PARTE 4
䉴
Nella maggior parte delle proteine
transmembrana la catena polipeptidica
attraversa il doppio strato lipidico
in una conformazione ad α elica
Le α eliche transmembrana spesso interagiscono
fra loro
Alcuni barili β formano grossi canali
transmembrana
Molte proteine di membrana sono glicosilate
Le proteine di membrana possono essere
solubilizzate e purificate in detergente
La batteriorodopsina è una pompa protonica
alimentata dalla luce che attraversa il doppio
strato lipidico con sette α eliche
Le proteine di membrana spesso funzionano
come grossi complessi
Molte proteine di membrana diffondono
nel piano della membrana
Le cellule possono confinare proteine e lipidi
in domini specifici all’interno
di una membrana
Il citoscheletro corticale conferisce forza
meccanica alle membrane e limita
la diffusione delle proteine di membrana
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dell’acqua: il problema e la sua soluzione
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690
693
I trasportatori ABC costituiscono la più grande
famiglia di proteine di trasporto di membrana 694
䉴 I canali ionici e le proprietà elettriche
697
delle membrane
I canali ionici sono selettivi per gli ioni e oscillano
fra stati aperti e chiusi
697
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Pagina XIII
Indice
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Il potenziale di membrana nelle cellule animali
dipende soprattutto dai canali che perdono
K+ (K+ leak channel) e dal gradiente di K+
attraverso la membrana plasmatica
䊏 QUADRO 11.2 La derivazione dell’equazione
di Nernst
Il potenziale a riposo decade lentamente
soltanto quando si ferma la pompa
Na+-K+
La struttura tridimensionale di un canale del K+
batterico mostra come può funzionare
un canale ionico
Le acquaporine sono permeabili all’acqua
ma impermeabili agli ioni
La funzione di una cellula nervosa dipende
dalla sua struttura allungata
I canali cationici regolati da voltaggio generano
potenziali d’azione in cellule eccitabili
elettricamente
La mielinizzazione aumenta la velocità
e l’efficienza della propagazione del
potenziale d’azione nelle cellule nervose
䊏 QUADRO 11.3 Alcuni esperimenti classici
sull’assone gigante della seppia
Le registrazioni a patch-clamp indicano
che singoli canali regolati si aprono
in una modalità tutto o nulla
I canali cationici regolati da voltaggio sono
correlati evolutivamente e strutturalmente
I canali ionici regolati da trasmettitore
convertono segnali chimici in segnali elettrici
a livello delle sinapsi chimiche
Le sinapsi chimiche possono essere eccitatorie
o inibitorie
I recettori dell’acetilcolina a livello della giunzione
neuromuscolare sono canali ionici regolati
da trasmettitori
I canali ionici regolati da trasmettitore sono
i bersagli principali per i farmaci psicoattivi
La trasmissione neuromuscolare comporta
l’attivazione sequenziale di cinque serie
diverse di canali ionici
I singoli neuroni sono dispositivi di elaborazione
complessi
L’elaborazione neuronale richiede una
combinazione di almeno tre tipi di canali
del K+
Il potenziamento a lungo termine (LTP)
nell’ippocampo dei mammiferi dipende
dall’ingresso di Ca2+ attraverso i canali
dei recettori NMDA
Problemi
Bibliografia
699
700
segnale e della traslocazione delle proteine
attraverso membrane
704
705
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724
La compartimentazione delle cellule
726
Tutte le cellule eucariotiche hanno la stessa serie
di base di organelli racchiusi da membrane
726
Le origini evolutive spiegano le relazioni
topologiche degli organelli racchiusi
da membrana
729
735
Il trasporto di molecole fra il nucleo
e il citosol
736
I complessi dei pori nucleari perforano l’involucro
nucleare
736
Segnali di localizzazione nucleare dirigono
le proteine nucleari nel nucleo
738
I recettori per l’importazione nucleare legano
segnali di localizzazione nucleare
e nucleoporine
739
L’esportazione dal nucleo funziona come
l’importazione nucleare, ma alla rovescia
739
La GTPasi Ran spinge il trasporto bidirezionale
attraverso i complessi dei pori nucleari
740
Il trasporto attraverso gli NPC può essere
regolato mediante il controllo dell’accesso
al macchinario di trasporto
741
L’involucro nucleare si disassembla durante
la mitosi
742
䉴 Il trasporto di proteine nei mitocondri
745
e nei cloroplasti
La traslocazione nei mitocondri dipende
da sequenze segnale e da proteine traslocatrici 745
I precursori delle proteine mitocondriali
sono importati come catene polipeptidiche
non ripiegate
746
L’idrolisi di ATP e un potenziale di membrana
sono usati per spingere l’importazione
delle proteine nei mitocondri
748
I batteri e i mitocondri usano meccanismi simili
per inserire porine nella loro membrana
esterna
749
Il trasporto di proteine nella membrana
mitocondriale interna e nello spazio
intermembrana avviene tramite diverse vie
749
Due sequenze segnale dirigono le proteine
alla membrana tilacoide dei cloroplasti
751
䉴 I perossisomi
753
I perossisomi usano ossigeno molecolare e acqua
ossigenata per svolgere reazioni ossidative
753
Una breve sequenza segnale dirige l’importazione
di proteine nei perossisomi
754
䉴 Il reticolo endoplasmatico
756
L’ER è strutturalmente e funzionalmente
diversificato
756
Le sequenze segnale sono state scoperte
per la prima volta in proteine importate
nell’ER ruvido
759
Una particella di riconoscimento del segnale
(SRP) dirige le sequenze segnale dell’ER
a un recettore specifico nella membrana
dell’ER ruvido
760
La catena polipeptidica passa attraverso
761
un poro acquoso nel traslocatore
䉴
12 Compartimenti intracellulari
e smistamento delle proteine
䉴
Le proteine si possono muovere fra
i compartimenti in modi diversi
730
Sequenze segnale dirigono le proteine
al corretto indirizzo cellulare
733
La maggior parte degli organelli non può essere
costruita dal nulla: sono necessarie
informazioni presenti nell’organello stesso
734
䊏 QUADRO 12.1 Approcci allo studio delle sequenze
701
702
XIII
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XIV
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Indice
La traslocazione attraverso la membrana
dell’ER non richiede sempre che la catena
polipeptidica si stia allungando
Nelle proteine transmembrana a singolo
passaggio, una singola sequenza segnale
interna dell’ER rimane nel doppio strato
lipidico come α elica che attraversa
la membrana
Combinazioni di segnali di inizio e di stop del
trasferimento determinano la topologia delle
proteine transmembrana a passaggi multipli
Le catene polipeptidiche traslocate si ripiegano
e si assemblano nel lume dell’ER ruvido
La maggior parte delle proteine sintetizzate
nell’ER ruvido sono glicosilate per aggiunta
di un oligosaccaride comune legato a N
Gli oligosaccaridi sono usati come etichette per
indicare lo stato di ripiegamento delle proteine
Le proteine ripiegate in modo inappropriato sono
esportate dall’ER e degradate nel citosol
Le proteine ripiegate male nell’ER attivano una
risposta alle proteine non ripiegate
Alcune proteine di membrana acquisiscono
un’àncora attaccata covalentemente
di glicosilfosfatidilinositolo (GPI)
La maggior parte dei doppi strati lipidici delle
membrane è assemblata nell’ER
Problemi
Bibliografia
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763
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779
13 Traffico vescicolare
intracellulare
I meccanismi molecolari del trasporto
di membrana e il mantenimento
della diversità dei compartimenti
Esistono vari tipi di vescicole rivestite
䊏 QUADRO 13.1 Strategie usate per studiare
䉴
i meccanismi molecolari coinvolti nel trasporto
vescicolare
L’assemblaggio di un rivestimento di clatrina
determina la formazione della vescicola
Non tutti i rivestimenti formano strutture
a canestro
I fosfoinositidi agiscono come marcatori
di organelli e domini di membrana
Sia il distacco che la perdita del rivestimento
delle vescicole rivestite sono processi regolati
da proteine citoplasmatiche
GTPasi monomeriche controllano l’assemblaggio
del rivestimento
Non tutte le vescicole di trasporto sono sferiche
Le proteine Rab guidano la specificità di attracco
delle vescicole
Le SNARE mediano la fusione delle membrane
Le SNARE che interagiscono devono essere
separate prima di poter funzionare di nuovo
Le proteine virali di fusione e le SNARE possono
usare strategie di fusione simili
䉴 Il trasporto dall’ER attraverso l’apparato
di Golgi
Le proteine lasciano l’ER in vescicole di trasporto
rivestite di COPII
783
783
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799
Soltanto proteine che sono ripiegate e assemblate
correttamente possono lasciare l’ER
800
Il trasporto dall’ER all’apparato di Golgi
è mediato da gruppi vescicolari tubulari
801
La via di recupero all’ER usa segnali
di smistamento
802
Molte proteine sono trattenute selettivamente
nei compartimenti in cui agiscono
803
L’apparato di Golgi consiste di una serie ordinata
di compartimenti
803
Le catene degli oligosaccaridi sono processate
nell’apparato di Golgi
806
I proteoglicani sono assemblati nell’apparato
807
di Golgi
Qual è lo scopo della glicosilazione?
809
Il trasporto attraverso l’apparato di Golgi
può avvenire per trasporto vescicolare
o per maturazione delle cisterne
810
Le proteine della matrice aiutano a organizzare
l’apparato
811
䉴 Il trasporto dal trans-Golgi ai lisosomi
812
I lisosomi sono i siti principali di digestione
intracellulare
812
I lisosomi sono eterogenei
813
I vacuoli dei vegetali e dei funghi sono lisosomi
molto versatili
814
Vie multiple portano materiali ai lisosomi
815
Un recettore del mannosio 6-fosfato riconosce
proteine lisosomali nel reticolo del trans-Golgi 816
Il recettore di M6P va avanti e indietro fra
membrane specifiche
817
Una zona segnale nella catena polipeptidica
delle idrolasi fornisce il segnale per l’aggiunta
di M6P
818
Difetti nella GlcNAc fosfotrasferasi causano
una malattia da deposito lisosomale
negli esseri umani
818
Alcuni lisosomi possono subire esocitosi
819
䉴 Il trasporto nella cellula dalla membrana
plasmatica: endocitosi
820
Cellule fagocitiche specializzate possono
ingerire grosse particelle
820
Le vescicole pinocitiche si formano da fosse
rivestite nella membrana plasmatica
822
Non tutte le vescicole pinocitiche sono rivestite
di clatrina
822
Le cellule importano macromolecole extracellulari
selezionate per endocitosi mediata
da recettore
824
I materiali endocitati che non sono recuperati
dagli endosomi finiscono nei lisosomi
825
Proteine specifiche sono rimosse dagli endosomi
precoci e riportate alla membrana plasmatica 826
Corpi multivescicolari si formano lungo la via
verso gli endosomi tardivi
828
Macromolecole possono essere trasferite
attraverso foglietti di cellule epiteliali
per transcitosi
829
Le cellule epiteliali hanno due compartimenti
distinti di endosomi precoci ma un
compartimento comune di endosomi tardivi
831
䉴 Il trasporto dal reticolo del trans-Golgi
833
all’esterno: esocitosi
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Pagina XV
Indice
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Molte proteine e lipidi sembrano essere
trasportati automaticamente dall’apparato
di Golgi alla superficie della cellula
Le vescicole secretorie gemmano dal reticolo
del trans-Golgi
Le proteine sono spesso processate
proteoliticamente durante la formazione
delle vescicole secretorie
Le vescicole secretorie aspettano vicino
alla membrana plasmatica fino a che
non ricevono il segnale per rilasciare
il loro contenuto
L’esocitosi regolata può essere una risposta
localizzata della membrana plasmatica
e del citoplasma sottostante
I componenti della membrana della vescicola
secretoria sono rimossi rapidamente
dalla membrana plasmatica
Alcuni eventi di esocitosi regolata servono
a ingrandire la membrana plasmatica
Le cellule polarizzate dirigono le proteine
dal reticolo del trans-Golgi al dominio
appropriato della membrana plasmatica
Strategie differenti guidano selettivamente
proteine e lipidi ai corretti domini
della membrana plasmatica
Le vescicole sinaptiche possono formarsi
direttamente da vescicole endocitiche
Problemi
Bibliografia
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14 Conversione dell’energia:
mitocondri e cloroplasti
Il mitocondrio
Il mitocondrio contiene una membrana esterna,
una membrana interna e due compartimenti
interni
Elettroni ad alta energia sono generati nel ciclo
dell’acido citrico
Un processo chemiosmotico converte l’energia
di ossidazione in ATP
Gli elettroni sono trasferiti da NADH a ossigeno
attraverso tre grossi complessi respiratori
enzimatici
Mentre gli elettroni si muovono lungo la catena
respiratoria, l’energia è conservata come
gradiente protonico elettrochimico attraverso
la membrana interna
Il gradiente protonico spinge la sintesi di ATP
Il gradiente protonico spinge il trasporto
accoppiato attraverso la membrana interna
I gradienti protonici producono la maggior parte
dell’ATP della cellula
I mitocondri mantengono un alto rapporto
ATP:ADP nelle cellule
Un valore negativo alto del ΔG dell’idrolisi
di ATP rende l’ATP utile alla cellula
L’ATP sintasi può funzionare anche in senso
contrario idrolizzando ATP e pompando H+
䉴 Le catene di trasporto degli elettroni
e le loro pompe protoniche
I protoni sono insolitamente facili da muovere
䉴
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Il potenziale redox è una misura dell’affinità
per gli elettroni
I trasferimenti di elettroni rilasciano grandi
quantità di energia
䊏 QUADRO 14.1 Potenziali redox
Metodi spettroscopici sono stati usati
per identificare molti trasportatori di elettroni
nella catena respiratoria
La catena respiratoria comprende tre grossi
complessi enzimatici immersi nella
membrana interna
Un centro ferro-rame nella citocromo ossidasi
catalizza una riduzione efficiente di O2
I trasferimenti di elettroni nella membrana
mitocondriale interna sono mediati dal
tunneling degli elettroni durante collisioni
casuali
Una grossa caduta del potenziale redox
attraverso ciascuno dei tre complessi
enzimatici respiratori fornisce l’energia
per il pompaggio di H+
Il pompaggio di H+ avviene per mezzo
di meccanismi diversi nei tre maggiori
complessi enzimatici
Ionofori H+ disaccoppiano il trasporto
degli elettroni dalla sintesi di ATP
Il controllo respiratorio limita normalmente
il flusso degli elettroni attraverso la catena
Disaccoppianti naturali convertono i mitocondri
del grasso bruno in macchine che generano
calore
Il mitocondrio ha molti ruoli cruciali
nel metabolismo cellulare
Anche i batteri sfruttano meccanismi
chemiosmotici per imbrigliare energia
䉴 Cloroplasti e fotosintesi
Il cloroplasto è un membro della famiglia
dei plastidi
I cloroplasti assomigliano ai mitocondri ma
hanno un compartimento in più
I cloroplasti catturano energia dalla luce solare
e la usano per fissare carbonio
La fissazione del carbonio è catalizzata
dalla ribulosio bisfosfato carbossilasi
Tre molecole di ATP e due molecole di NADPH
sono consumate per ciascuna molecola
di CO2 fissata
La fissazione del carbonio in alcune piante
è compartimentata per facilitare la crescita
a basse concentrazioni di CO2
La fotosintesi dipende dalla fotochimica
delle molecole di clorofilla
Un fotosistema consiste di un centro
di reazione fotochimico più un complesso
antenna
In un centro di reazione l’energia della luce
catturata dalla clorofilla crea un forte
donatore di elettroni da uno debole
Una fotofosforilazione non ciclica produce
NADPH e ATP
I cloroplasti possono produrre ATP per
fotofosforilazione ciclica senza produrre
NADPH
XV
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Indice
I fotosistemi I e II hanno strutture correlate
e assomigliano anche ai fotosistemi batterici
La forza protomotrice è la stessa nei mitocondri
e nei cloroplasti
Proteine trasportatrici nella membrana interna
del cloroplasto controllano lo scambio
di metaboliti con il citosol
I cloroplasti eseguono anche altre biosintesi
cruciali
䉴 I sistemi genetici dei mitocondri
e dei plastidi
I mitocondri e i cloroplasti contengono sistemi
genetici completi
La crescita e la divisione degli organelli
determinano il numero di mitocondri
e di plastidi in una cellula
I genomi dei mitocondri e dei cloroplasti sono
diversi
I mitocondri e i cloroplasti si sono probabilmente
evoluti entrambi da batteri endosimbionti
I mitocondri presentano un uso rilassato
del codice e possono avere un codice
genetico variante
I mitocondri animali contengono i sistemi
genetici noti più semplici
Alcuni geni degli organelli contengono introni
Il genoma dei cloroplasti delle piante superiori
contiene circa 120 geni
I geni dei mitocondri sono ereditati con un
meccanismo non mendeliano
I geni degli organelli sono ereditati per via
materna in molti organismi
I mutanti petite dei lieviti dimostrano
la preponderante importanza del nucleo
cellulare per la biogenesi dei mitocondri
I mitocondri e i plastidi contengono proteine
tessuto-specifiche che sono codificate
nel nucleo cellulare
I mitocondri importano la maggior parte
dei loro lipidi; i cloroplasti ne producono
la maggior parte
I mitocondri possono contribuire
all’invecchiamento delle cellule
e degli organismi
Perché i mitocondri e i cloroplasti hanno sistemi
genetici propri?
䉴 L’evoluzione delle catene di trasporto
degli elettroni
Le cellule primitive probabilmente producevano
ATP per fermentazione
Le catene di trasporto degli elettroni hanno
reso i batteri anaerobi capaci di usare
molecole non fermentabili come fonte
principale di energia
Fornendo una fonte inesauribile di potere
riducente, i batteri fotosintetici
superarono uno degli ostacoli principali
dell’evoluzione
Le catene di trasporto di elettroni fotosintetiche
dei cianobatteri produssero ossigeno
atmosferico e permisero nuove forme di vita
Problemi
Bibliografia
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15 Comunicazione
cellulare
Principi generali della comunicazione
cellulare
Le molecole di segnalazione extracellulare
si legano a recettori specifici
Le molecole segnale extracellulari possono agire
su distanze brevi e lunghe
Le giunzioni gap permettono la condivisione di
informazioni di segnalazione fra cellule vicine
Ciascuna cellula è programmata per rispondere
a combinazioni specifiche di molecole
segnale extracellulari
Cellule diverse possono rispondere in modo
diverso alla stessa molecola segnale
extracellulare
Il destino di alcune cellule durante lo sviluppo
dipende dalla loro posizione in gradienti
di morfogeni
La concentrazione di una molecola intracellulare
può essere regolata rapidamente dalla cellula
soltanto se la vita della molecola è breve
L’ossido di azoto gassoso segnala regolando
direttamente l’attività di proteine specifiche
dentro la cellula bersaglio
I recettori nucleari sono proteine che regolano
geni modulate da ligando
Le tre classi più grandi di recettori di superficie
sono recettori collegati a canali ionici,
a proteine G e a enzimi
La maggior parte dei recettori di superficie
attivati trasmette segnali tramite piccole
molecole e una rete di proteine
di segnalazione intracellulare
Molte proteine di segnalazione intracellulare
agiscono da interruttori molecolari che sono
attivati mediante fosforilazione o legame
di GTP
Complessi di segnalazione intracellulari
aumentano la velocità, l’efficienza
e la specificità della risposta
Le interazioni fra proteine di segnalazione
intracellulare sono mediate da domini
di legame modulari
Le cellule possono usare molteplici meccanismi
per rispondere bruscamente ad una
concentrazione in graduale aumento
di un segnale extracellulare
Le reti di segnalazione intracellulare fanno
generalmente uso di circuiti a feedback
Le cellule possono regolare la loro sensibilità
ad un segnale
䉴 Segnalazione tramite recettori
di superficie collegati a proteine G (GPCR)
e piccoli mediatori intracellulari
Le proteine G trimeriche trasmettono segnali
derivanti da GPCR
Alcune proteine G regolano la produzione
di AMP ciclico
La proteina chinasi dipendente da AMP ciclico
(PKA) media la maggior parte degli effetti
dell’AMP ciclico
䉴
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Alcune proteine G attivano la via di segnalazione
dell’inositolo fosfolipide attivando
la fosfolipasi C-β
Il Ca2+ ha la funzione di messaggero
intracellulare ubiquitario
La frequenza delle oscillazioni del Ca2+
influenza la risposta di una cellula
Proteina chinasi dipendenti da Ca2+/calmodulina
(CaM-chinasi) mediano molte delle risposte
ai segnali del Ca2+ nelle cellule animali
Alcune proteine G regolano direttamente canali
ionici
Olfatto e vista dipendono da recettori collegati
a proteine G che regolano canali ionici
regolati da nucleotidi ciclici
I segnali extracellulari sono amplificati da piccoli
mediatori intracellulari e da cascate
enzimatiche
La desensibilizzazione del GPCR dipende
dalla fosforilazione del recettore
䉴 Segnalazione tramite recettori
di superficie collegati a enzimi
I recettori tirosina chinasi (RTK) attivati
fosforilano se stessi
Le tirosine fosforilate sugli RTK servono da siti
di attracco per le proteine di segnalazione
intracellulare
Le tirosine fosforilate servono da siti di attracco
per proteine con domini SH2
Ras appartiene ad una grande superfamiglia
di GTPasi monomeriche
Gli RTK attivano Ras mediante adattatori e GEF:
prove derivate dallo sviluppo dell’occhio
di Drosophila
Ras attiva un modulo di segnalazione
della MAP chinasi
Proteine impalcatura aiutano ad impedire
interferenze tra moduli paralleli di MAP chinasi
I recettori presenti sulla superficie cellulare
sono collegati funzionalmente al citoscheletro
da GTPasi della famiglia Rho
La PI 3-chinasi produce siti di attracco per lipidi
nella membrana plasmatica
La via di segnalazione PI 3-chinasi-Akt stimola
le cellule animali a sopravvivere e a crescere
Le vie di segnalazione a valle attivate dagli RTK
e dai GPCR si sovrappongono
I recettori associati a tirosina chinasi dipendono
da tirosina chinasi citoplasmatiche per la loro
attività
I recettori delle citochine attivano la via
di segnalazione JAK-STAT, fornendo
un percorso veloce verso il nucleo
Proteina tirosina fosfatasi specifiche eliminano
le fosforilazioni in tirosina
Le proteine segnale della superfamiglia
del TGFβ agiscono tramite recettori
serina/treonina chinasi e Smad
Le proteina serina/treonina chinasi e le proteina
tirosina chinasi sono strutturalmente correlate
La chemotassi batterica dipende da una via
di segnalazione a due componenti attivata
da recettori associati a istidina chinasi
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La metilazione dei recettori è responsabile
dell’adattamento nella chemotassi batterica
䉴 Vie di segnalazione che dipendono
da proteolisi controllata di proteine
latenti regolatrici di geni
Il recettore proteico Notch è una proteina
latente che regola geni
Le proteine Wnt si legano a recettori Frizzled
e inibiscono la degradazione di β-catenina
Le proteine Hedgehog si legano a Patched,
togliendo la sua inibizione su Smoothened
Molti stimoli infiammatori e di stress agiscono
tramite una via di segnalazione dipendente
da NFκB
䉴 Segnalazione nei vegetali
Multicellularità e comunicazione cellulare
si sono evolute in modo indipendente
nei vegetali e negli animali
Recettori serina/treonina chinasi sono la classe più
grande di recettori di superficie nei vegetali
L’etilene blocca la degradazione di proteine
che regolano geni specifici nel nucleo
Il posizionamento regolato dei trasportatori
di auxina rende ordinata la crescita vegetale
I fitocromi rivelano luce rossa e i criptocromi
rivelano luce blu
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16 Il citoscheletro
L’autoassemblaggio e la struttura
dinamica dei filamenti del citoscheletro
I filamenti citoscheletrici sono dinamici
e adattabili
䊏 QUADRO 16.1 I tre tipi principali di filamenti
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proteici che formano il citoscheletro
Il citoscheletro può formare anche strutture stabili
Ciascun tipo di filamento del citoscheletro
è costituito da subunità proteiche più piccole
I filamenti formati da protofilamenti multipli
hanno proprietà vantaggiose
La nucleazione è il passaggio limitante
nella formazionedi un polimero
del citoscheletro
Le subunità di tubulina e di actina si assemblano
testa-coda, creando filamenti che sono polari
䊏 QUADRO 16.2 La polimerizzazione di actina
e tubulina
Le due estremità di un microtubulo e di un
filamento di actina sono distinte e crescono
a velocità diverse
Il treadmilling dei filamenti e l’instabilità
dinamica sono conseguenze dell’idrolisi
di nucleotidi da parte di tubulina e di actina
Treadmilling e instabilità dinamica promuovono
la rapida riorganizzazione del citoscheletro
Tubulina e actina si sono altamente conservate
durante l’evoluzione degli eucarioti
La struttura dei filamenti intermedi dipende
dalla formazione di fasci laterali
e dall’avvolgimento di coiled coil
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I filamenti intermedi conferiscono stabilità
meccanica alle cellule animali
1023
La polimerizzazione dei filamenti può essere
1025
alterata da sostanze chimiche
L’organizzazione e la divisione delle cellule
batteriche dipendono da omologhi
del citoscheletro eucariotico
1026
䉴 Il modo in cui le cellule regolano
1029
i filamenti del citoscheletro
I microtubuli sono nucleati da un complesso
di proteine che contiene γ-tubulina
1030
I microtubuli si estendono dal centrosoma
nelle cellule animali
1030
Filamenti di actina sono spesso nucleati
1032
alla membrana plasmatica
䊏 QUADRO 16.3 Proteine accessorie che controllano
l’assemblaggio e la posizione dei filamenti
del citoscheletro
Il meccanismo della nucleazione influenza
l’organizzazione su larga scala dei filamenti
L’allungamento dei filamenti è modificato
da proteine che si legano alle subunità libere
Proteine che tagliano i filamenti regolano
la lunghezza e il comportamento dinamico
di filamenti di actina e di microtubuli
Proteine che si legano lungo i lati dei filamenti
possono stabilizzarli o destabilizzarli
Le proteine che interagiscono con le estremità
dei filamenti possono cambiare
drasticamente la dinamica dei filamenti
Le proprietà delle estremità dei microtubuli
in rapida crescita sono alterate da differenti
tipi di proteine
I filamenti sono organizzati in strutture di ordine
superiore nelle cellule
I filamenti intermedi formano legami crociati
e si associano in fasci molto forti
Proteine che formano legami crociati con
proprietà distinte organizzano complessi
diversi di filamenti di actina
Filamina e spettrina formano reti di filamenti
di actina
Elementi del citoscheletro si attaccano
alle membrane
䉴 Motori molecolari
Le proteine motrici basate su actina sono
membri della superfamiglia della miosina
Ci sono due tipi di proteine motrici
dei microtubuli: chinesine e dineine
La somiglianza strutturale fra miosina e
chinesina indica un’origine evolutiva comune
Le proteine motrici generano forza
accoppiando l’idrolisi di ATP a cambiamenti
conformazionali
La cinetica delle proteine motrici è adattata
alle funzioni cellulari
Le proteine motrici mediano il trasporto
intracellulare di organelli racchiusi
da membrana
Il citoscheletro localizza molecole specifiche
di mRNA
Le cellule regolano la funzione delle proteine
motrici
1043
Il citoscheletro e il comportamento
cellulare
La contrazione muscolare dipende dallo
scivolamento di filamenti di miosina II
e di actina
La contrazione muscolare è iniziata da un
improvviso aumento della concentrazione
citosolica di Ca2+
Il muscolo cardiaco è una macchina di alta
ingegneria
Ciglia e flagelli sono strutture mobili costituite
da microtubuli e dineine
La costruzione del fuso mitotico richiede
la dinamica dei microtubuli e le interazioni
di molti motori proteici
Molte cellule possono strisciare su un substrato
solido
La protrusione della membrana plasmatica
è spinta dalla polimerizzazione
di actina
Adesione cellulare e trazione permettono
alle cellule di avanzare
La maggior parte della riorganizzazione
del citoscheletro di actina è causata
da membri della famiglia di proteine Rho
Segnali extracellulari possono attivare
i tre membri della famiglia di proteine Rho
Segnali esterni possono dettare la direzione
della migrazione cellulare
La comunicazione tra i microtubuli
e il citoscheletro di actina coordina
la polarizzazione dell’intera cellula
e la locomozione
La complessa specializzazione morfologica
dei neuroni dipende dal citoscheletro
1043
Problemi
Bibliografia
1044
17 Il ciclo cellulare
1034
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1061
1061
䉴
Una rassegna del ciclo cellulare
Il ciclo cellulare eucariotico si divide in quattro
fasi
Il controllo del ciclo cellulare è simile in tutti
gli eucarioti
Il controllo del ciclo cellulare può essere
dissezionato geneticamente analizzando
lieviti mutanti
Il controllo del ciclo cellulare può essere
analizzato biochimicamente negli embrioni
animali
Il controllo del ciclo cellulare dei mammiferi
può essere studiato in coltura
La progressione del ciclo cellulare può essere
studiata in vari modi
䉴 Il sistema di controllo del ciclo cellulare
Il sistema di controllo del ciclo cellulare
scatena gli eventi principali del ciclo
cellulare
Il sistema di controllo del ciclo cellulare dipende
da proteina chinasi dipendenti da ciclina
(Cdk) attivate ciclicamente
䉴
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L’attività della Cdk può essere soppressa sia
da fosforilazione inibitrice che da proteine
inibitrici
Il sistema di controllo del ciclo cellulare dipende
da proteolisi ciclica
Il controllo del ciclo cellulare dipende anche
dalla regolazione trascrizionale
Il sistema di controllo del ciclo cellulare
funziona come una rete di interruttori
biochimici
䉴 La fase S
S-Cdk inizia la replicazione del DNA una volta
per ciclo
La duplicazione dei cromosomi richiede la
duplicazione della struttura della cromatina
Le coesine aiutano a mantenere uniti
i cromatidi fratelli
䉴 La mitosi
䊏 QUADRO 17.1 Gli stadi principali della fase M
(mitosi e citochinesi) in una cellula animale
M-Cdk spinge l’ingresso in mitosi
La defosforilazione attiva M-Cdk all’inizio
della mitosi
Le condensine aiutano a configurare
i cromosomi duplicati per la separazione
Il fuso mitotico è una macchina basata su
microtubuli
Motori proteici dipendenti dai microtubuli
governano l’assemblaggio e la funzione
del fuso
Due meccanismi collaborano nell’assemblaggio
di un fuso mitotico bipolare
La duplicazione dei centrosomi avviene
precocemente durante il ciclo cellulare
M-Cdk inizia l’assemblaggio del fuso
nella profase
Nelle cellule animali il completamento
dell’assemblaggio del fuso richiede
la demolizione dell’involucro nucleare
L’instabilità dei microtubuli aumenta di molto
durante la mitosi
I cromosomi mitotici promuovono
l’assemblaggio di fusi bipolari
I cinetocori attaccano i cromatidi fratelli al fuso
Il biorientamento si ottiene per tentativi
Forze multiple spostano i cromosomi sul fuso
APC/C scatena la separazione dei cromatidi
fratelli e il completamento della mitosi
I cromosomi non attaccati bloccano
la separazione dei cromatidi fratelli: il punto
di controllo dell’assemblaggio del fuso
I cromosomi segregano nell’anafase A e B
I cromosomi segregati sono introdotti nei nuclei
figli in telofase
La meiosi è una forma speciale di divisione
nucleare coinvolta nella riproduzione
sessuata
䉴 La citochinesi
Actina e miosina II nell’anello contrattile
generano la forza per la citochinesi
L’attivazione locale di RhoA scatena
l’assemblaggio e la contrazione dell’anello
contrattile
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XIX
I microtubuli del fuso mitotico determinano
il piano della divisione delle cellule animali
1135
Il fragmoplasto guida la citochinesi nelle piante
1137
superiori
Gli organelli racchiusi da membrana devono
essere distribuiti alle cellule figlie durante
la citochinesi
1138
Alcune cellule riposizionano il loro fuso
1138
per dividersi asimmetricamente
La mitosi può avvenire senza citochinesi
1139
La fase G1 è uno stato di inattività stabile di Cdk 1139
䉴 Il controllo della divisione cellulare
e della crescita cellulare
1141
I mitogeni stimolano la divisione cellulare
1142
Le cellule possono ritardare la divisione entrando
in uno stato speciale di non divisione
1143
I mitogeni stimolano le attività G1-Cdk
e G1/S-Cdk
1143
Il danno al DNA blocca la divisione cellulare:
1145
la risposta al danneggiamento del DNA
Molte cellule umane hanno una limitazione
innata del numero delle volte che si possono
dividere
1147
Segnali anormali di proliferazione causano
l’arresto del ciclo cellulare o la morte cellulare 1147
La crescita degli organismi e degli organi
dipende dalla crescita cellulare
1148
Le cellule proliferanti di solito coordinano
crescita e divisione
1149
Cellule confinanti competono per proteine
1150
di segnalazione extracellulari
Gli animali controllano la massa cellulare totale
con meccanismi sconosciuti
1151
Problemi
Bibliografia
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1133
1135
18 L’apoptosi
La morte cellulare programmata elimina cellule
non desiderate
Le cellule apoptotiche sono riconoscibili
biochimicamente
L’apoptosi dipende da una cascata proteolitica
intracellulare mediata da caspasi
Recettori di morte della superficie cellulare
attivano la via estrinseca dell’apoptosi
La via intrinseca dell’apoptosi dipende
dai mitocondri
Le proteine Bcl2 regolano la via intrinseca
dell’apoptosi
Gli IAP inibiscono le caspasi
I fattori di sopravvivenza extracellulari
inibiscono l’apoptosi in vari modi
L’apoptosi eccessiva o insufficiente può
contribuire alle malattie
Problemi
Bibliografia
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PARTE 5
LE CELLULE NEL LORO CONTESTO
SOCIALE
19 Giunzioni cellulari,
adesione cellulare
e matrice extracellulare
Caderine e adesione cellula-cellula
1175
Le caderine mediano l’adesione cellula-cellula
dipendente da Ca2+ in tutti gli animali
1177
La superfamiglia delle caderine dei vertebrati
comprende centinaia di proteine diverse,
fra cui molte con funzioni di segnalazione
1178
Le caderine mediano l’adesione omofilica
1180
L’adesione selettiva cellula-cellula permette
alle cellule dissociate dei vertebrati
1181
di riassemblarsi in tessuti organizzati
Le caderine controllano l’assortimento selettivo
delle cellule
1182
Twist regola le transizioni epiteliali
mesenchimali
1182
Le catenine collegano le caderine classiche
al citoscheletro di actina
1183
Le giunzioni aderenti coordinano la motilità
basata su actina di cellule adiacenti
1184
Le giunzioni desmosomiche conferiscono forza
meccanica agli epiteli
1184
Le giunzioni cellula-cellula inviano segnali
all’interno della cellula
1186
Le selettine mediano adesioni transitorie
cellula-cellula nel torrente circolatorio
1187
Membri della superfamiglia delle
immunoglobuline mediano l’adesione
1188
cellulare indipendente da Ca2+
Molti tipi di molecole di adesione cellulare
agiscono in parallelo per creare una sinapsi 1189
Proteine impalcatura organizzano i complessi
giunzionali
1190
䉴 Giunzioni strette e organizzazione
degli epiteli
1192
Le giunzioni strette formano un sigillo tra
le cellule e una barriera tra i domini
delle membrane
1193
Proteine impalcatura presenti nei complessi
giunzionali hanno un ruolo chiave
nel controllo della proliferazione cellulare
1196
Le giunzioni cellula-cellula e la lamina basale
governano la polarità apico-basale
1197
degli epiteli
Un sistema di segnalazione separato controlla
la polarità cellulare planare
1200
䉴 Vie di passaggio da cellula a cellula:
giunzioni gap e plasmodesmi
1201
Le giunzioni gap accoppiano le cellule sia
1201
elettricamente che metabolicamente
Un connessone di giunzione gap è composto
da sei subunità transmembrana di connessine 1202
Le giunzioni gap hanno funzioni diversificate
1203
Le cellule possono regolare la permeabilità
1204
delle giunzioni gap
Nei vegetali, i plasmodesmi svolgono molte
delle stesse funzioni delle giunzioni gap
1204
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La lamina basale
La lamina basale si trova alla base di tutti
gli epiteli e circonda alcuni tipi di cellule
non epiteliali
La laminina è un componente principale
della lamina basale
Il collageno di tipo IV conferisce alla lamina
basale resistenza alla tensione
Le lamine basali svolgono diverse funzioni
䉴 Integrine e adesione cellula-matrice
Le integrine sono eterodimeri transmembrana
che si collegano al citoscheletro
Le integrine possono passare da una
conformazione attiva a una inattiva
Difetti delle integrine sono responsabili di molte
malattie genetiche diverse
Le integrine si raggruppano per formare
adesioni forti
I punti di attacco alla matrice extracellulare
agiscono tramite le integrine per controllare
proliferazione e sopravvivenza cellulare
Le integrine reclutano proteine di segnalazione
intracellulare sui siti di adesione
cellula-substrato
Le integrine possono produrre effetti
intracellulari localizzati
䉴 La matrice extracellulare dei tessuti
connettivi animali
La matrice extracellulare è prodotta e orientata
dalle cellule al suo interno
Catene di glicosamminoglicano (GAG)
occupano grandi quantità di spazio
e formano gel idratati
Lo ialuronano funziona da riempitore e da
facilitatore della migrazione cellulare durante
la morfogenesi e la riparazione dei tessuti
I proteoglicani sono composti da catene di GAG
unite covalentemente a un nucleo proteico
I proteoglicani possono regolare le attività
di proteine secrete
I proteoglicani di superficie agiscono
da corecettori
I collageni sono le proteine principali
della matrice extracellulare
Le catene di collageno subiscono una serie
di modificazioni post-traduzionali
Dopo la secrezione, i propeptidi sono rimossi
dal procollageno per permettere
l’assemblaggio delle fibrille
Collageni associati alle fibrille secrete aiutano
a determinarne l’organizzazione
Le cellule aiutano a organizzare le fibrille
di collageno che secernono, esercitando
tensione sulla matrice
L’elastina conferisce ai tessuti la loro elasticità
La fibronettina è una proteina extracellulare
che aiuta le cellule ad attaccarsi alla matrice
La tensione esercitata dalle cellule regola
l’assemblaggio delle fibrille di fibronettina
La fibronettina si lega alle integrine tramite
un motivo RGD
Le cellule devono essere in grado di degradare
la matrice, oltre che di produrla
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La degradazione della matrice è localizzata
nelle vicinanze delle cellule
䉴 La parete cellulare vegetale
La composizione della parete cellulare dipende
dal tipo cellulare
La forza elastica della parete cellulare permette
alle cellule vegetali di sviluppare la pressione
di turgore
La parete cellulare primaria è costituita
da microfibrille di cellulosa intessute
con un reticolo di polisaccaridi pectici
La deposizione orientata della parete cellulare
controlla la crescita della pianta
I microtubuli orientano la deposizione
della parete cellulare
Problemi
Bibliografia
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20 Il cancro
Il cancro come processo microevolutivo 1249
Le cellule cancerose si riproducono senza
limitazioni e colonizzano altri tessuti
1250
La maggior parte delle forme di cancro deriva
da una sola cellula anormale
1251
Le cellule cancerose contengono mutazioni
1252
somatiche
Una singola mutazione non è sufficiente
a provocare il cancro
1253
Il cancro si sviluppa gradualmente da cellule
sempre più aberranti
1254
I cancri della cervice sono prevenibili mediante
diagnosi precoce
1255
La progressione tumorale coinvolge cicli
successivi di modificazioni casuali ereditate
seguiti da selezione naturale
1256
I cambiamenti epigenetici che si accumulano
nelle cellule cancerose coinvolgono strutture
ereditarie della cromatina e metilazione
1257
del DNA
Le cellule cancerose umane sono geneticamente
instabili
1258
La crescita di un cancro spesso dipende
da un mancato controllo della morte
cellulare, del differenziamento cellulare
o di entrambi
1259
Le cellule cancerose di solito mostrano
alterazioni della risposta al danneggiamento
del DNA e ad altre forme di stress
1260
Le cellule cancerose umane sfuggono a un limite
intrinseco alla proliferazione cellulare
1261
Una piccola popolazione di cellule staminali
cancerose mantiene molti tumori
1262
Come nascono le cellule staminali del cancro? 1263
Per metastatizzare le cellule cancerose maligne
devono sopravvivere e proliferare
in un ambiente estraneo
1264
I tumori inducono angiogenesi
1266
Il microambiente tumorale influenza lo sviluppo
del cancro
1266
Molte proprietà contribuiscono in genere
alla crescita cancerosa
1267
䉴
Le cause del cancro che si possono
prevenire
Molti agenti causano il cancro, ma non tutti
danneggiano il DNA
Gli iniziatori tumorali, ma non i promotori
tumorali, danneggiano il DNA
Virus ed altre infezioni contribuiscono a una
significativa percentuale di cancri umani
L’identificazione dei cancerogeni rivela modi
di evitare il cancro
䉴 La scoperta dei geni critici per il cancro
L’identificazione di mutazioni con guadagno
di funzione e con perdita di funzione
richiede metodi differenti
I retrovirus servono da vettori di oncogeni
che alterano il comportamento cellulare
Diverse linee di ricerca di oncogeni hanno
portato allo stesso gene: Ras
Studi di rare sindromi cancerose ereditarie
hanno identificato per la prima volta geni
soppressori dei tumori
I geni soppressori dei tumori possono essere
identificati anche dallo studio dei tumori
Meccanismi genetici ed epigenetici possono
inattivare i geni soppressori dei tumori
I geni mutati nel cancro possono essere
resi iperattivi in molti modi
La caccia ai geni critici per il cancro continua
䉴 Le basi molecolari del comportamento
delle cellule cancerose
Lo studio di embrioni in via di sviluppo e di topi
geneticamente modificati ha aiutato a scoprire
la funzione dei geni critici per il cancro
Molti geni critici per il cancro regolano
la proliferazione cellulare
Vie diverse possono mediare l’anormale
regolazione della progressione del ciclo
cellulare e della crescita delle cellule
cancerose
Mutazioni nei geni che regolano l’apoptosi
permettono alle cellule cancerose
di sopravvivere quando non dovrebbero
Mutazioni del gene p53 permettono a molte
cellule cancerose di sopravvivere e proliferare
nonostante il danno al DNA
I virus tumorali a DNA bloccano l’azione
di proteine cruciali che sopprimono i tumori
Le modificazioni delle cellule tumorali
che portano a metastasi sono ancora
in gran parte un mistero
I cancri colorettali evolvono lentamente
attraverso una successione di cambiamenti
visibili
Poche lesioni genetiche cruciali sono comuni
ad una grande percentuale di cancri colorettali
Alcuni cancri colorettali hanno difetti nella
riparazione delle basi male appaiate nel DNA
I passaggi della progressione tumorale possono
essere spesso correlati a mutazioni specifiche
Ciascun caso di cancro è caratterizzato
da una propria serie di lesioni genetiche
䉴 Il trattamento del cancro:
presente e futuro
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La ricerca di cure per il cancro è difficile ma non
impossibile
Le terapie tradizionali sfruttano l’instabilità
genetica e la perdita delle risposte ai punti
di controllo del ciclo cellulare nelle cellule
cancerose
I nuovi farmaci possono sfruttare la causa
specifica dell’instabilità genetica di un tumore
L’instabilità genetica aiuta i cancri a diventare
progressivamente più resistenti alle terapie
Nuove terapie stanno emergendo dalla nostra
conoscenza della biologia del cancro
Si possono progettare piccole molecole che
inibiscono proteine oncogeniche specifiche
I vasi sanguigni del tumore sono bersagli logici
della terapia del cancro
Molti cancri possono essere trattabili
amplificando la risposta immunitaria
contro un tumore specifico
Il trattamento dei pazienti con più farmaci
simultaneamente presenta vantaggi
potenziali per la terapia del cancro
Il profilo dell’espressione genica può aiutare
a classificare i cancri in sottogruppi
clinicamente significativi
C’è ancora molto da fare
Problemi
Bibliografia
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21 Riproduzione sessuata:
meiosi, cellule germinali
e fecondazione
Generalità sulla riproduzione sessuata
1316
La fase aploide negli eucarioti superiori è breve 1317
La meiosi genera la diversità genetica
1318
La riproduzione sessuata conferisce
agli organismi un vantaggio competitivo
1318
䉴 Meiosi
1319
I gameti sono prodotti attraverso due divisioni
meiotiche
1320
Gli omologhi duplicati (e i cromosomi sessuali)
si appaiano all’inizio della profase I
1320
L’appaiamento degli omologhi termina con la
formazione di un complesso sinaptonemico 1322
La segregazione degli omologhi dipende
da proteine associate al cinetocore specifiche
della meiosi
1324
La meiosi spesso non ha successo
1326
Il crossing over aumenta le possibilità
1326
di riassortimento genetico
Il crossing over è strettamente regolato
1328
La meiosi è regolata in modo diverso
nelle femmine e nei maschi dei mammiferi
1328
䉴 Le cellule germinali primordiali e la
determinazione del sesso nei mammiferi 1329
Segnali inviati dalle cellule circostanti specificano
1330
le PGC negli embrioni dei mammiferi
Le PGC migrano nelle gonadi in via di sviluppo 1330
Il gene Sry dirige la gonade dei mammiferi a
1331
svilupparsi in un testicolo
Molti aspetti della riproduzione sessuata variano
enormemente nelle diverse specie animali
1333
䉴
Uova
Un uovo è altamente specializzato
per lo sviluppo indipendente
Lo sviluppo dell’uovo avviene per stadi
Gli oociti utilizzano meccanismi speciali per
raggiungere le loro dimensioni finali
La maggior parte degli oociti umani muore
senza aver raggiunto la maturazione
䉴 Spermatozoi
Gli spermatozoi sono estremamente adatti
per portare il loro DNA in un uovo
Gli spermatozoi vengono prodotti
continuamente nei testicoli dei mammiferi
Gli spermatozoi si sviluppano sotto forma
di sincizio
䉴 Fecondazione
Dopo essere stati eiaculati gli spermatozoi
diventano capacitati nel tratto genitale
femminile
Gli spermatozoi capacitati si attaccano
alla zona pellucida e subiscono una reazione
acrosomica
Il meccanismo di fusione spermatozoo-uovo
è ancora sconosciuto
La fusione degli spermatozoi attiva l’uovo
facendo aumentare il Ca2+ nel citosol
La reazione corticale aiuta ad assicurare che
solo uno spermatozoo fecondi l’uovo
Lo spermatozoo fornisce i centrioli e il proprio
genoma allo zigote
IVF e ICSI hanno rivoluzionato il trattamento
dell’infertilità umana
䉴
Bibliografia
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22 Lo sviluppo degli organismi
multicellulari
I meccanismi universali dello sviluppo
animale
Gli animali condividono alcune caratteristiche
anatomiche di base
Gli animali multicellulari sono ricchi di proteine
che mediano le interazioni cellulari
e la regolazione dell’espressione genica
Il DNA regolatore definisce il programma
di sviluppo
La manipolazione dell’embrione rivela
le interazioni tra le sue cellule
Gli studi di animali mutanti identificano i geni
che controllano i processi di sviluppo
Una cellula prende decisioni di sviluppo molto
prima di mostrare un cambiamento visibile
Le cellule mantengono il ricordo dei valori
posizionali che riflettono la loro posizione
nel corpo
Segnali induttivi possono creare secondo
un ordine differenze tra cellule inizialmente
identiche
Cellule sorelle possono nascere diverse per una
divisione cellulare asimmetrica
Il feedback positivo può creare un’asimmetria
dove prima non c’era
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I feedback positivi generano schemi, creano
risultati tutto-o-nulla e forniscono
la memoria
Una piccola serie di vie di segnalazione, usate
ripetutamente, controlla la formazione
degli schemi di sviluppo
I morfogeni sono induttori a lungo raggio che
esercitano effetti graduati
Gli inibitori extracellulari delle molecole segnale
modificano la risposta all’induttore
I segnali di sviluppo si possono propagare
nel tessuto in molti modi diversi
Programmi intrinseci a una cellula spesso
definiscono la tempistica del suo sviluppo
Gli schemi iniziali sono stabiliti in piccoli campi
di cellule e affinati per induzione sequenziale
durante la crescita embrionale
䉴 Il Caenorhabditis elegans: lo sviluppo
dalla prospettiva della singola cellula
Il Caenorhabditis elegans è anatomicamente
semplice
I destini cellulari nel nematode in via di sviluppo
sono quasi perfettamente prevedibili
I prodotti di geni a effetto materno organizzano
la divisione asimmetrica dell’uovo
Schemi progressivamente più complicati sono
creati da interazioni cellula-cellula
La microchirurgia e la genetica rivelano la logica
del controllo dello sviluppo; il clonaggio
ed il sequenziamento dei geni ne rivelano
i meccanismi molecolari
Le cellule cambiano nel tempo la loro sensibilità
ai segnali di sviluppo
I geni eterocronici controllano la tempistica
dello sviluppo
Le cellule non contano le divisioni cellulari per
temporizzare i loro programmi interni
Cellule selezionate muoiono per apoptosi come
parte del programma di sviluppo
䉴 La Drosophila e la genetica molecolare
della formazione di schemi: genesi
del piano corporeo
Il corpo dell’insetto è costruito da una serie
di unità segmentali
La Drosophila comincia il suo sviluppo come
sincizio
Screening genetici definiscono i gruppi di geni
necessari per aspetti specifici della
formazione di schemi precoci
Le interazioni dell’oocita con il suo ambiente
definiscono gli assi dell’embrione: il ruolo
dei geni della polarità dell’uovo
I geni della segnalazione dorsoventrale creano
un gradiente di una proteina nucleare
regolatrice dell’espressione genica
Dpp e Sog stabiliscono un gradiente secondario
di morfogeni per affinare lo schema della
parte dorsale dell’embrione
L’asse dorsoventrale degli insetti corrisponde
all’asse ventrodorsale dei vertebrati
Tre classi di geni di segmentazione affinano
lo schema anteroposteriore materno
e suddividono l’embrione
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L’espressione localizzata dei geni della
segmentazione è regolata da una gerarchia
di segnali di posizione
La natura modulare del DNA regolatore
permette ai geni di avere funzioni multiple
controllate in modo indipendente
I geni della polarità dell’uovo, i geni gap e i geni
pair-rule creano uno schema transitorio
che viene ricordato da altri geni
䉴 I geni selettori omeotici e la creazione
dell’asse anteroposteriore
Il codice Hox specifica le differenze
anteroposteriori
I geni selettori omeotici codificano proteine
che legano il DNA che interagiscono
con altre proteine regolatrici
dell’espressione genica
I geni selettori omeotici sono espressi
sequenzialmente secondo il loro ordine
nel complesso Hox
Il complesso Hox contiene una registrazione
permanente dell’informazione posizionale
L’asse anteroposteriore è controllato da geni
selettori Hox anche nei vertebrati
䉴 L’organogenesi e il modellamento
delle appendici
Mutazioni somatiche condizionali e indotte
permettono di analizzare le funzioni dei geni
nel periodo tardivo dello sviluppo
Le parti del corpo della mosca adulta
si sviluppano da dischi immaginali
I geni selettori omeotici sono essenziali per la
memoria dell’informazione posizionale
nelle cellule dei dischi immaginali
Geni regolatori specifici definiscono le cellule
che formeranno un’appendice
Il disco dell’ala degli insetti è diviso
in compartimenti
Quattro vie familiari di segnalazione
si combinano per formare gli schemi
del disco alare: Wingless, Hedgehog, Dpp
e Notch
Le dimensioni di ogni compartimento sono
regolate dalle interazioni tra le sue cellule
Meccanismi simili formano gli schemi degli arti
dei vertebrati
L’espressione localizzata di classi specifiche
di proteine regolatrici dell’espressione
genica prefigura il differenziamento cellulare
L’inibizione laterale seleziona le cellule madri
sensoriali all’interno dei gruppi proneurali
L’inibizione laterale spinge la progenie della
cellula madre sensoriale verso destini finali
diversi
La polarità planare delle divisioni asimmetriche
è controllata dalla segnalazione tramite
il recettore Frizzled
La divisione asimmetrica delle cellule staminali
genera neuroni addizionali nel sistema
nervoso centrale
Le divisioni asimmetriche dei neuroblasti
segregano un inibitore della divisione
cellulare all’interno di una sola cellula figlia
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La segnalazione di Notch regola lo schema fine
dei tipi di cellule differenziate in molti tessuti
diversi
Alcuni geni regolatori chiave definiscono un tipo
cellulare; altri possono attivare il programma
per la creazione di un intero organo
䉴 I movimenti cellulari e il modellamento
del corpo dei vertebrati
La polarità dell’embrione di anfibio dipende
dalla polarità dell’uovo
Il clivaggio produce molte cellule a partire
da una iniziale
La gastrulazione trasforma una palla cava
di cellule in una struttura a tre strati con
un intestino primitivo
I movimenti della gastrulazione sono
esattamente prevedibili
Segnali chimici scatenano i processi meccanici
Cambiamenti attivi di compattamento cellulare
forniscono una forza che guida
la gastrulazione
Il cambiamento degli schemi delle molecole
di adesione cellulare costringe le cellule
a nuove disposizioni spaziali
La notocorda si allunga, mentre la piastra
neurale si arrotola per formare il tubo neurale
Un oscillatore di espressione genica controlla
la segmentazione del mosoderma nei somiti
Un feedback negativo ritardato può generare
le oscillazioni dell’orologio di segmentazione
I tessuti embrionali sono invasi da cellule
migratorie in modo strettamente controllato
La distribuzione delle cellule migranti dipende
da fattori di sopravvivenza oltre che
da segnali guida
L’asimmetria sinistra-destra del corpo
dei vertebrati deriva da un’asimmetria
molecolare nell’embrione precoce
䉴 Il topo
Lo sviluppo dei mammiferi ha inizio con un
preliminare specializzato
L’embrione precoce di mammifero è altamente
regolativo
Cellule staminali embrionali totipotenti possono
essere ottenute da un embrione
di mammifero
Le interazioni tra epitelio e mesenchima
generano strutture tubulari ramificate
䉴 Lo sviluppo neurale
Ai neuroni vengono assegnati caratteri diversi
in base al momento e al luogo di nascita
Il carattere assegnato ad un neurone alla nascita
governa le connessioni che formerà
Ogni assone o dendrite si estende per mezzo
di un cono di crescita alla sua estremità
Il cono di crescita guida il neurite in via
di sviluppo lungo un percorso precisamente
definito in vivo
I coni di crescita possono cambiare la loro
sensibilità mentre viaggiano
I tessuti bersaglio rilasciano fattori neurotrofici
che controllano la crescita e la sopravvivenza
delle cellule nervose
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La specificità neuronale guida la formazione
di mappe neurali ordinate
1441
Assoni da diverse regioni della retina rispondono
in modo differente al gradiente di molecole
1443
repulsive nel tetto
Schemi diffusi di connessioni sinaptiche sono
affinati da un rimodellamento dipendente
dall’attività
1444
L’esperienza modella lo schema delle
connessioni sinaptiche nel cervello
1445
La memoria nell’adulto e il rimodellamento
delle sinapsi durante lo sviluppo possono
dipendere da meccanismi simili
1447
䉴 Lo sviluppo dei vegetali
1448
L’Arabidopsis serve da organismo modello
per la genetica molecolare delle piante
1449
Il genoma di Arabidopsis è ricco di geni che
controllano lo sviluppo
1449
Lo sviluppo embrionale inizia stabilendo
un asse radice-germoglio e si ferma
1451
all’interno del seme
䊏 QUADRO 22.1 Le caratteristiche dello sviluppo
precoce nelle piante da fiore
22.2 I tipi cellulari e i tessuti dai quali
vengono costituite le piante superiori
1419
䊏 QUADRO
1420
Le parti di una pianta sono generate
sequenzialmente da meristemi
Lo sviluppo della pianticella dipende
dai segnali ambientali
La segnalazione ormonale a lungo raggio
coordina gli eventi di sviluppo in parti
separate della pianta
La forma di ogni nuova struttura dipende
dalla divisione e dall’espansione orientata
delle cellule
Ogni modulo della pianta cresce a partire
da una minuscola serie di primordi in
un meristema
Il trasporto polarizzato di auxina controlla
lo schema dei primordi nel meristema
La segnalazione cellulare mantiene il meristema
Mutazioni regolatrici possono trasformare la
topologia della pianta alterando
il comportamento cellulare nel meristema
Lo stimolo a fiorire dipende dai segnali
ambientali presenti e passati
Geni selettori omeotici specificano le parti
di un fiore
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23 Tessuti specializzati, cellule
staminali e rinnovamento
tissutale
L’epidermide e il suo rinnovamento
ad opera di cellule staminali
Le cellule dell’epidermide formano una barriera
pluristratificata impermeabile
Le cellule in via di differenziamento
dell’epidermide esprimono una sequenza
di geni diversi mentre maturano
Le cellule staminali nello strato basale
provvedono al rinnovamento dell’epidermide
䉴
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Le due cellule figlie di una cellula staminale
non sempre devono diventare diverse
1473
Lo strato basale contiene sia cellule staminali
1474
sia cellule che si amplificano in transito
La divisione delle cellule che si amplificano
in transito fa parte della strategia di controllo
della crescita
1476
Le cellule staminali di alcuni tessuti mantengono
selettivamente i filamenti del DNA originale 1477
La velocità di divisione delle cellule staminali
può aumentare in modo drastico quando
c’è un urgente bisogno di nuove cellule
1478
Molti segnali interagenti regolano
il rinnovamento dell’epidermide
1478
Nella ghiandola mammaria si alternano cicli
di sviluppo e di regressione
1479
䉴 Epiteli sensoriali
1482
I neuroni sensoriali olfattivi vengono
continuamente sostituiti
1482
Le cellule capellute uditive devono durare
tutta la vita
1483
La maggior parte delle cellule permanenti
rinnovano i loro componenti: i fotorecettori
della retina
1485
䉴 Le vie aeree e l’intestino
1487
Tipi cellulari adiacenti collaborano negli alveoli
polmonari
1487
Le cellule a calice, le cellule ciliate e i macrofagi
collaborano per mantenere pulite le vie aeree 1488
Il rivestimento dell’intestino tenue si rinnova
1489
più velocemente degli altri tessuti
La segnalazione di Wnt mantiene
i compartimenti staminali dell’intestino
1491
La segnalazione di Notch controlla
la diversificazione delle cellule intestinali
1492
La segnalazione ephrin-Eph controlla la
migrazione delle cellule epiteliali dell’intestino 1493
Le vie di segnalazione di Wnt, Hedgehog, PDGF
e BMP si combinano per delimitare la nicchia
delle cellule staminali
1495
Il fegato funziona da interfaccia tra il tratto
1495
digestivo e il sangue
La perdita delle cellule del fegato stimola
la loro proliferazione
1496
Il rinnovamento del tessuto non deve
necessariamente dipendere dalle cellule
staminali: le cellule che secernono insulina
1497
nel pancreas
䉴 Vasi sanguigni, vasi linfatici e cellule
endoteliali
1499
Le cellule endoteliali rivestono tutti i vasi
sanguigni e linfatici
1499
Le cellule endoteliali della punta aprono
la strada per l’angiogenesi
1500
Tipi diversi di cellule endoteliali formano tipi
diversi di vasi
1501
I tessuti che richiedono un apporto sanguigno
rilasciano VEGF; la segnalazione di Notch
1502
tra le cellule endoteliali regola la risposta
Segnali provenienti dalle cellule endoteliali
controllano il reclutamento dei periciti e
delle cellule del muscolo liscio per formare
la parete del vaso
1503
Rinnovamento tramite cellule staminali
multipotenti: la formazione delle cellule
del sangue
Le tre categorie principali dei globuli bianchi
sono i granulociti, i monociti e i linfociti
La produzione di ogni tipo di cellula del sangue
nel midollo osseo è controllata
individualmente
Il midollo osseo contiene cellule staminali
emopoietiche
Una cellula staminale multipotente dà origine
a tutte le classi delle cellule del sangue
La determinazione è un processo in più stadi
Le divisioni delle cellule progenitrici determinate
amplificano il numero di cellule specializzate
del sangue
Le cellule staminali dipendono da segnali
di contatto provenienti dalle cellule stromali
I fattori che regolano l’emopoiesi possono
essere analizzati in coltura
L’eritropoiesi dipende dall’ormone eritropoietina
Molteplici CSF influenzano la produzione dei
neutrofili e dei macrofagi
Il comportamento di una cellula emopoietica
dipende in parte dal caso
La regolazione della sopravvivenza cellulare
è tanto importante quanto la regolazione
della proliferazione cellulare
䉴 Genesi, modulazione e rigenerazione
del muscolo scheletrico
I mioblasti si fondono per formare nuove fibre
del muscolo scheletrico
Le cellule muscolari possono variare le loro
proprietà modificando le isoforme
delle proteine che contengono
Le fibre del muscolo scheletrico secernono
miostatina per limitare la loro stessa crescita
Alcuni mioblasti permangono come cellule
staminali quiescenti nell’adulto
䉴 I fibroblasti e le loro trasformazioni:
la famiglia delle cellule del tessuto
connettivo
I fibroblasti cambiano carattere in risposta
a segnali chimici
La matrice extracellulare può influenzare
il differenziamento delle cellule del tessuto
connettivo agendo sulla forma
e sulle proprietà adesive delle cellule
Gli osteoblasti formano la matrice dell’osso
La maggior parte delle ossa è costruita intorno
a modelli di cartilagine
L’osso viene continuamente rimodellato
dalle cellule al suo interno
Gli osteoclasti sono controllati dai segnali
provenienti dagli osteoblasti
Le cellule adipose possono svilupparsi
dai fibroblasti
La leptina secreta dalle cellule adipose fornisce
un feedback per regolare l’alimentazione
䉴 Ingegnerizzazione delle cellule staminali
Le cellule staminali emopoietiche possono
essere utilizzate per sostituire le cellule
malate del sangue con cellule sane
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Indice
Le popolazioni di cellule staminali
dell’epidermide possono essere espanse
in coltura per la riparazione dei tessuti
Le cellule staminali neurali possono essere
manipolate in coltura
Le cellule staminali neurali possono ripopolare
il sistema nervoso centrale
Le cellule staminali del corpo adulto sono
tessuto-specifiche
Le cellule ES possono produrre qualsiasi parte
del corpo
Le cellule ES proprie del paziente potrebbero
risolvere il problema del rigetto immunitario
Le cellule ES sono utili per la scoperta di farmaci
e l’analisi di malattie
Bibliografia
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24 Patogeni, infezione e immunità
innata
Introduzione agli agenti patogeni
Gli agenti patogeni hanno evoluto meccanismi
specifici per interagire con i loro ospiti
I segni e i sintomi dell’infezione possono essere
causati dagli agenti patogeni o dalle risposte
dell’ospite
Gli agenti patogeni sono filogeneticamente
diversi
Gli agenti patogeni batterici portano geni
di virulenza specializzati
I parassiti fungini e protozoici hanno cicli vitali
complessi con molteplici forme
Tutti gli aspetti della propagazione virale
dipendono dal macchinario delle cellule
ospiti
I prioni sono proteine infettive
Gli agenti delle malattie infettive sono collegati
al cancro, alle malattie cardiache e ad altre
malattie croniche
䉴 Biologia cellulare dell’infezione
Gli agenti patogeni attraversano barriere
protettive per colonizzare l’ospite
Gli agenti patogeni che colonizzano gli epiteli
devono evitare di essere eliminati dall’ospite
Gli agenti patogeni intracellulari possiedono
meccanismi sia per entrare sia per uscire
dalle cellule ospiti
Le particelle virali si legano a molecole esposte
sulla superficie della cellula ospite
I virioni entrano nelle cellule ospiti tramite
fusione di membrane, formazione di pori
o rottura della membrana
I batteri entrano nelle cellule ospiti
per fagocitosi
I parassiti eucariotici intracellulari invadono
attivamente le cellule ospiti
Molti agenti patogeni alterano il traffico delle
membrane della cellula ospite
I virus e i batteri sfruttano il citoscheletro
della cellula ospite per il movimento
intracellulare
I virus si impadroniscono del metabolismo
della cellula ospite
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I patogeni possono alterare il comportamento
dell’organismo ospite per facilitare la propria
diffusione
I patogeni si evolvono rapidamente
Le variazioni antigeniche nei patogeni
avvengono tramite meccanismi multipli
La replicazione incline all’errore domina
l’evoluzione virale
I patogeni resistenti ai farmaci sono
un problema in crescita
䉴 Le barriere contro le infezioni e il sistema
immunitario innato
Le superfici epiteliali e le difensine aiutano
a prevenire le infezioni
Le cellule umane riconoscono caratteristiche
conservate dei patogeni
L’attivazione del complemento indirizza
i patogeni alla fagocitosi o alla lisi
Le proteine Toll-like e le proteine NOD sono
una famiglia antica di recettori di
riconoscimento di schemi
Le cellule fagocitiche cercano, inglobano
e distruggono i patogeni
I macrofagi attivati contribuiscono alla risposta
infiammatoria nei siti di infezione
Le cellule infettate da virus prendono misure
drastiche per impedire la replicazione virale
Le cellule natural killer inducono le cellule
infettate da virus a suicidarsi
Le cellule dendritiche forniscono il collegamento
tra il sistema immunitario adattativo
e quello innato
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25 Il sistema immunitario
adattativo
I linfociti e la base cellulare
dell’immunità adattativa
I linfociti sono necessari per l’immunità
adattativa
I sistemi immunitari adattativo e innato
collaborano tra di loro
I linfociti B si sviluppano nel midollo osseo;
i linfociti T si sviluppano nel timo
Il sistema immunitario adattativo funziona
per selezione clonale
La maggior parte degli antigeni attiva molti
cloni diversi di linfociti
La memoria immunologica implica sia
l’espansione clonale sia il differenziamento
dei linfociti
La tolleranza immunologica assicura che
gli antigeni propri dell’organismo
non vengano attaccati
I linfociti circolano continuamente attraverso
gli organi linfoidi periferici
䉴 Le cellule B e gli anticorpi
Le cellule B producono anticorpi sia come
recettori di superficie per l’antigene sia come
proteine secrete
Un anticorpo tipico ha due siti di legame per
l’antigene identici
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Indice XXVII
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Una molecola anticorpale è composta
da catene pesanti e leggere
Gli anticorpi hanno cinque classi di catene
pesanti, ciascuna con diverse proprietà
biologiche
La forza di un’interazione anticorpo-antigene
dipende sia dal numero sia dall’affinità
dei siti di legame per l’antigene
Le catene pesanti e leggere degli anticorpi
consistono di regioni variabili e costanti
Le catene leggere e pesanti sono composte
da domini Ig ripetuti
Un sito di legame per l’antigene è costruito
da anse ipervariabili
䉴 La generazione della diversità
degli anticorpi
I geni anticorpali sono assemblati da segmenti
genici separati durante lo sviluppo
delle cellule B
L’unione imprecisa dei segmenti genici aumenta
di molto la diversità delle regioni V
Il controllo della ricombinazione V(D)J assicura
che le cellule B siano monospecifiche
L’ipermutazione somatica stimolata
dall’antigene regola finemente le risposte
anticorpali
Le cellule B possono cambiare la classe
di anticorpi che producono
䉴 Le cellule T e le proteine MHC
I recettori delle cellule T (TCR) sono eterodimeri
simili ad anticorpi
La presentazione dell’antigene da parte
delle cellule dendritiche può attivare
o rendere tolleranti le cellule T
Le cellule effettrici T citotossiche inducono
le cellule bersaglio infettate a suicidarsi
Le cellule effettrici T helper attivano altre cellule
del sistema immunitario sia innato
sia adattativo
Le cellule T regolatrici sopprimono l’attività
di altre cellule T
Le cellule T riconoscono peptidi estranei legati
alle proteine MHC
Le proteine MHC sono state identificate
nelle reazioni ai trapianti prima che fossero
note le loro funzioni
Le proteine MHC di classe I e di classe II sono
eterodimeri strutturalmente simili
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Una proteina MHC lega un peptide e interagisce
con un recettore delle cellule T
1637
Le proteine MHC aiutano a dirigere le cellule T
1640
ai loro bersagli appropriati
I corecettori CD4 e CD8 si legano a parti
invarianti delle proteine MHC
1640
Le cellule T citotossiche rispondono
a frammenti di proteine citosoliche estranee
in associazione con proteine MHC di classe I 1641
Le cellule T helper rispondono a frammenti
di proteine estranee endocitate associate
alle proteine MHC di classe II
1644
Cellule T potenzialmente utili vengono
selezionate positivamente nel timo
1645
La maggior parte delle cellule T helper
e citotossiche in sviluppo che possono essere
attivate da complessi MHC-peptidi propri
vengono eliminate nel timo
1646
Alcune proteine organo-specifiche sono espresse
1648
ectopicamente nella midollare del timo
La funzione delle proteine MHC aiuta
a spiegare il loro polimorfismo
1648
䉴 Le cellule T helper e l’attivazione
dei linfociti
1650
Le cellule dendritiche utilizzano meccanismi
multipli per attivare le cellule T
1650
L’attivazione delle cellule T è controllata
da un feedback negativo
1652
La sottoclasse di cellule effettrici T helper
determina la natura della risposta
1653
immunitaria adattativa
Le cellule TH1 attivano i macrofagi infettati
e stimolano una risposta infiammatoria
1654
L’attacco dell’antigene ai recettori della cellula B
(BCR) è solo un passaggio dell’attivazione
1656
delle cellule B
Le cellule T helper antigene-specifiche sono
essenziali per attivare la maggior parte
delle cellule B
1657
Una classe speciale di cellule B riconosce
antigeni indipendenti dalle cellule T
1658
Le molecole del riconoscimento immunitario
appartengono all’antica superfamiglia
delle Ig
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Bibliografia
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Glossario
Indice analitico
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