Indice - Libreria Universo
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Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina III 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 3 4 5 6 7 8 10 10 11 11 12 13 14 14 15 17 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 21 22 24 24 49 49 50 53 54 55 Alberts_indice_def IV 3-02-2009 13:45 Pagina IV 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 © 978-88-08-06451-6 56 57 58 59 59 60 62 63 65 67 68 70 70 71 73 74 75 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 98 101 101 103 105 107 107 109 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 76 79 80 81 83 84 84 85 86 87 89 90 93 94 95 96 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 143 144 144 146 147 149 149 150 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina V Indice © 978-88-08-06451-6 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 151 154 154 155 156 158 160 161 161 163 163 164 V 186 188 188 189 190 192 192 193 195 196 197 200 204 167 168 169 170 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 209 209 211 212 214 214 215 217 220 220 222 223 Alberts_indice_def VI 3-02-2009 13:45 Pagina VI Indice 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 © 978-88-08-06451-6 242 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 224 225 228 230 232 233 234 235 236 238 240 241 245 247 250 252 253 253 255 257 259 260 261 263 265 265 266 267 268 269 270 271 272 273 275 276 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 248 261 278 279 280 281 281 282 284 286 287 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina VII Indice © 978-88-08-06451-6 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 318 320 320 321 321 322 323 324 325 325 327 329 331 331 332 333 334 336 338 338 339 339 340 341 342 344 345 Alberts_indice_def VIII 3-02-2009 13:45 Pagina VIII Indice 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 © 978-88-08-06451-6 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 391 392 392 395 396 398 400 400 401 402 404 404 406 406 409 410 412 414 415 418 419 420 420 421 421 425 426 427 428 429 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 431 431 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina IX Indice © 978-88-08-06451-6 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 432 435 435 436 436 437 438 439 439 441 441 443 443 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 456 457 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 459 459 460 461 462 464 465 465 467 468 470 472 473 474 474 476 477 478 479 481 481 483 484 485 486 Alberts_indice_def X 3-02-2009 13:45 Pagina X 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 © 978-88-08-06451-6 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 492 494 496 498 498 499 500 501 502 503 504 506 508 509 511 512 513 514 515 515 517 518 519 520 521 526 526 528 529 530 531 533 535 535 537 537 539 540 541 541 542 542 543 545 547 547 548 549 549 551 552 552 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XI Indice © 978-88-08-06451-6 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 554 555 557 557 559 560 561 563 565 567 568 569 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 591 592 594 596 597 598 599 600 602 603 604 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 573 574 574 574 577 578 579 580 582 583 584 584 585 586 587 589 589 590 606 607 610 611 611 612 615 616 617 619 620 623 624 625 626 627 628 Alberts_indice_def XII 3-02-2009 13:45 Pagina XII Indice 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 © 978-88-08-06451-6 628 630 630 631 632 634 636 637 637 638 640 642 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 646 646 648 649 651 652 653 654 655 657 657 658 dell’acqua: il problema e la sua soluzione 681 681 682 683 684 685 687 688 689 690 690 693 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 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XIII Indice © 978-88-08-06451-6 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 704 705 706 708 710 711 712 712 714 714 716 717 718 719 721 723 724 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 Alberts_indice_def XIV 3-02-2009 13:45 Pagina XIV 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 © 978-88-08-06451-6 763 764 766 768 768 770 771 772 774 774 777 779 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 783 783 784 786 787 789 790 791 792 793 795 796 797 798 799 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 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XV Indice © 978-88-08-06451-6 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 833 834 836 836 837 838 838 839 839 840 842 844 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 848 849 850 852 852 853 854 855 856 857 858 859 861 861 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 861 862 863 864 865 866 868 868 869 870 870 871 871 872 874 874 875 875 877 878 879 880 881 882 883 886 Alberts_indice_def XVI 3-02-2009 13:45 Pagina XVI 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 © 978-88-08-06451-6 887 887 888 888 889 889 890 892 892 894 895 896 896 897 899 900 900 901 901 902 903 904 904 905 906 910 911 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 913 915 915 917 918 919 920 920 922 923 926 927 928 931 932 934 935 936 939 939 940 942 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XVII Indice © 978-88-08-06451-6 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 943 946 947 948 951 951 954 955 956 957 959 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 Problemi Bibliografia XVII 979 981 982 983 986 988 991 991 992 994 994 997 998 1000 959 961 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 䉴 962 964 965 966 967 969 970 971 972 974 975 976 978 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 1002 1003 1004 1006 1008 1008 1010 1011 1012 1015 1015 1019 1020 1021 Alberts_indice_def XVIII 3-02-2009 13:45 Pagina XVIII Indice © 978-88-08-06451-6 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 1036 1037 1038 1039 1041 1041 1046 1047 1049 1049 1052 1053 1054 1058 1059 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 1064 1064 1067 1069 1070 1073 1074 1075 1078 1080 1083 1084 1086 1086 1090 1091 1094 1094 1096 1096 1098 1098 1099 1100 1100 1102 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XIX Indice © 978-88-08-06451-6 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 1103 1104 1105 1106 1107 1107 1110 1110 1111 1112 1114 1114 1115 1115 1116 1118 1118 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 1152 1154 1119 1120 1120 1121 1122 1124 1125 1127 1128 1129 1130 1130 1133 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 1157 1158 1159 1160 1161 1162 1165 1166 1167 1169 1170 Alberts_indice_def XX 3-02-2009 13:45 Pagina XX Indice 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 䉴 © 978-88-08-06451-6 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 䉴 1206 1206 1207 1209 1209 1212 1212 1213 1215 1217 1217 1218 1219 1220 1221 1222 1223 1223 1225 1226 1227 1228 1229 1231 1231 1232 1234 1235 1235 1236 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XXI Indice © 978-88-08-06451-6 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 1236 1238 1239 1239 1240 1242 1243 1245 1247 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 XXI 䉴 1268 1270 1270 1272 1273 1275 1276 1277 1278 1279 1280 1281 1282 1284 1286 1287 1288 1290 1291 1291 1293 1295 1297 1298 1300 1301 1301 1303 Alberts_indice_def XXII 3-02-2009 13:45 Pagina XXII Indice 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 © 978-88-08-06451-6 1303 1303 1304 1305 1306 1307 1309 1309 1310 1310 1311 1312 1314 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 1335 1335 1336 1338 1339 1340 1341 1341 1343 1345 1345 1346 1347 1348 1348 1349 1350 1352 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 䉴 1355 1356 1357 1358 1359 1360 1360 1361 1362 1363 1363 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XXIII Indice © 978-88-08-06451-6 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 1364 1365 1366 1366 1367 1368 1369 1370 1370 1371 1372 1373 1374 1375 1375 1376 1376 1377 1378 1380 1381 1382 1383 1385 1385 1385 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 XXIII 1386 1388 1389 1391 1391 1391 1392 1393 1393 1397 1397 1399 1400 1400 1401 1401 1403 1404 1405 1406 1407 1408 1409 1410 Alberts_indice_def XXIV 3-02-2009 13:45 Pagina XXIV Indice 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 © 978-88-08-06451-6 1411 1412 1413 1413 1414 1415 1416 1417 1418 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 1421 1422 1423 1425 1425 1428 1428 1429 1430 1431 1433 1434 1436 1437 1438 1439 1440 Bibliografia 1453 1454 1456 1456 1456 1457 1458 1459 1460 1461 1463 1464 1466 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 1469 1471 1472 1473 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XXV Indice © 978-88-08-06451-6 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 XXV 䉴 1504 1505 1507 1508 1510 1510 1511 1512 1513 1513 1514 1515 1516 1517 1518 1519 1519 1520 1521 1522 1523 1523 1525 1526 1528 1529 1530 1531 1532 Alberts_indice_def XXVI 3-02-2009 13:45 Pagina XXVI 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 © 978-88-08-06451-6 1532 1533 1534 1534 1535 1536 1537 1538 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 䉴 1542 1542 1543 1545 1546 1550 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 Bibliografia 1552 1555 1575 1576 1577 1578 1579 1583 1584 1585 1586 1588 1590 1591 1593 1594 1595 1596 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 䉴 1556 1558 1558 1559 1562 1562 1563 1565 1566 1568 1572 1575 1599 1599 1600 1601 1603 1604 1604 1606 1608 1610 1611 1611 Alberts_indice_def 3-02-2009 13:45 Pagina XXVII Indice XXVII © 978-88-08-06451-6 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 1611 1612 1616 1617 1618 1619 1621 1622 1623 1624 1626 1626 1629 1630 1631 1632 1633 1634 1635 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 1659 Bibliografia 1661 Glossario Indice analitico 1663 1701 1635 1636
