INDICE GENERALE
Autori iii
Prefazione v
Capitolo 1
Basi chimiche
e organizzazione
molecolare della “vita” 1
Acqua 1
Le proprietà dell’acqua sono dovute ai legami idrogeno tra
le sue molecole 1
L’acqua come solvente 3
Rapporti tra acqua e composti anfipatici 4
Carboidrati 5
Monosaccaridi 5
Il legame glicosidico e i derivati dei monosaccaridi 7
Lipidi 11
Proteine 15
Struttura chimica delle proteine 19
Amminoacidi e legame peptidico 20
Organizzazione tridimensionale delle proteine 23
Denaturazione e rinaturazione delle proteine 27
Regolazione dell’attività biologica delle proteine 28
Acidi nucleici 30
Dal nucleotide al cromosoma 30
Da Miescher a Chargaff, Wilkins e Franklin 31
Struttura chimica degli acidi nucleici 34
Costruiamo una catena polinucleotidica 36
Struttura della doppia elica 37
Palindromi 39
Sono possibili riconoscimenti non canonici fra le basi? 39
Acido ribonucleico (RNA) 39
Strategie di compattamento del DNA: virus, piccoli DNA
circolari, batteri, eucarioti 40
Parametri fisici del DNA 44
Denaturazione e rinaturazione 45
Grandezza e complessità del genoma 46
Morfologia dei cromosomi metafasici 47
Inserto 1.1: Come possono le proteine interagire
con gli acidi nucleici? 17
Inserto 1.2: Amminoacidi della serie “D”—Sintesi
proteica non ribosomale 21
Inserto 1.3: Il genoma umano 48
Capitolo 2
Le basi
dell’organizzazione
biologica 55
La classificazione degli organismi 55
L’albero della vita 55
Tassonomia e sistematica molecolare 58
La cellula “alle origini” 60
Gli organismi e le cellule 60
Lo sviluppo della teoria cellulare 60
Le proprietà fondamentali delle cellule 61
La cellula procariotica 63
I procarioti più antichi: gli Archea 66
I Bacteria 67
La cellula eucariotica 68
Le membrane biologiche 70
Il nucleo 86
Il reticolo endoplasmatico 93
I ribosomi 99
I mitocondri 101
Il complesso del Golgi 105
I lisosomi 109
I perossisomi 112
Il citoscheletro 117
Inserto 2.1: Evoluzione 59
Inserto 2.2: Cronologia degli studi sulla composizione
della membrana plasmatica 71
Inserto 2.3: Dimostrazione del movimento laterale
delle proteine e dei lipidi nel doppio strato lipidico 85
Inserto 2.4: “Dinamismo” della cromatina e architettura nucleare: la regolazione dell’espressione genica
in 3D 94
Inserto 2.5: Reticolo endoplasmatico liscio
e detossificazione da xenobiotici 98
Inserto 2.6: Patologie mitocondriali 106
Inserto 2.7: “Valore clinico” dei lisosomi 113
Inserto 2.8: Una curiosità tra la biologia cellulare,
la terapia, il cinema e l’attualità: ovvero
“L’olio di Lorenzo”, un atto d’amore 116
Inserto 2.9: Il “gioco” dei microtubuli 125
Capitolo 3
Energia:
enzimi
e metabolismo 137
Mitocondri 137
Principi di energetica 137
Organizzazione e funzione dei mitocondri 138
Glicolisi e fermentazione 144
Respirazione aerobia 148
Cloroplasti e fotosintesi 155
Inserto 3.1: Genoma mitocondriale 141
Inserto 3.2: Cellule vegetali 154
viii
Indice generale
Capitolo 4
Flusso dell’informazione
e regolazione
dell’espressione
genica 167
Replicazione del DNA 167
Introduzione 167
Esperimento di Meselson e Stahl 168
Caratteristiche generali della duplicazione del DNA 169
Replicazione nei batteri 172
Attività esonucleasica della DNA polimerasi III:
la “correzione di bozze” 175
Replicazione negli eucarioti 176
Antigene nucleare di proliferazione cellulare (PCNA):
un collegamento fra la duplicazione del DNA
e il ciclo cellulare 181
Riparazione del DNA 182
Trascrizione e maturazione degli RNA 184
Introduzione 184
Caratteristiche generali della trascrizione 185
Trascrizione nei batteri 186
Maturazione degli RNA nei batteri 187
Trascrizione negli eucarioti 189
Problema del rimodellamento della cromatina 193
Maturazione dell’mRNA 194
Maturazione degli rRNA e tRNA 197
Struttura e concetto di gene 199
RNA world 200
La struttura del codice genetico e la traduzione 200
Introduzione 200
Le proprietà del codice genetico 201
La decifrazione del codice e la direzione di lettura 203
L’apparato di traduzione: i ribosomi ed i tRNA 205
La traduzione 208
La traduzione negli eucarioti 212
Come vengono incorporate la selenocisteina
e la pirrolisina? 214
“Folding” e “misfolding” delle proteine 215
Genomica, trascrittomica e proteomica 216
Regolazione dell’espressione genica 217
Introduzione 217
Procarioti 217
Eucarioti 222
Inserto 4.1: La complessità dei meccanismi di regolazione genica negli eucarioti. il recettore dell’estradiolo 228
Inserto 4.2: L’RNA: una molecola per molteplici funzioni 230
Capitolo 5
Capitolo 7
Funzione cellulare
e traffico
intracellulare 231
Membrane e meccanismi di trasporto 231
La diffusione semplice: un movimento spontaneo
delle molecole secondo gradiente di concentrazione 231
L’osmosi: la diffusione dell’acqua attraverso
le membrane 232
La diffusione facilitata 233
Trasporto attivo 237
Il potenziale di membrana e l’impulso nervoso 246
I meccanismi di segnalazione cellulare 259
Ligandi, recettori e trasduzione del segnale recettoriale 259
Meccanismi e vie dello smistamento di molecole 277
Smistamento delle proteine nei compartimenti cellulari
ed endocitosi 277
Meccanismi di adesione cellulare 294
Adesione fra cellule e fra cellule e matrice extracellulare 294
Inserto 5.1: Trasportatori ABC e resistenza multipla
ai farmaci (MultiDrug Resistance – MDR) 243
Capitolo 6
Riproduzione
e ciclo
cellulare 333
Divisione cellulare 333
Ciclo cellulare 334
Differenti fasi del ciclo cellulare 334
Regolazione del ciclo cellulare 337
Complessità del ciclo cellulare dei mammiferi 343
Cicline D e controllo dell’ambiente extracellulare
sul ciclo cellulare 345
Mitosi 350
Profase 350
Prometafase 351
Metafase 352
Anafase 353
Telofase 355
Citochinesi 355
Meiosi 356
Meiosi I 357
Meiosi II 360
Significato essenziale dei processi
di divisione cellulare 360
Apoptosi: la morte della cellula 362
Apoptosi e necrosi 363
Suscettibilità apoptotica 372
Virus 311
I virus: caratteristiche generali 311
Viroidi e prioni 319
Viroidi 319
Prioni 320
Genetica dei virus 321
Inserto 6.1: Morfologia e dimensioni dei virus 313
Inserto 6.2: La mappatura dei geni magici 329
Inserto 7.1: L’essenziale del ciclo cellulare
e la sua regolazione 349
Inserto 7.2: Ancora differenze fra mitosi e meiosi,
ciclo cellulare mitotico e meiotico 361
Capitolo 8
Riproduzione
degli organismi 373
Introduzione 373
La riproduzione asessuata 374
La riproduzione sessuata 376
Origine delle cellule della linea germinale 377
Differenziamento delle gonadi 378
Spermatogenesi 379
Ovogenesi 386
Differenze fra spermatogenesi ed ovogenesi 392
Indice generale
ix
Fecondazione 394
Ermafroditismo 400
Partenogenesi e metagenesi 400
Inserto 8.1: Testicolo oppure ovario? 380
Inserto 8.2: Non equivalenza dei pronuclei maschile
e femminile, imprinting 392
Inserto 8.3: Fecondazione assistita 398
Inserto 8.4: Mitosi o meiosi, spermatozoi o ovociti,
chi decide? 401
Capitolo 9
Elementi
di biologia
dello sviluppo 403
Dallo zigote all’embrione 404
Caratteristiche delle uova 404
Sviluppo dell’uovo di anfibi 405
Quali sono i movimenti dei territori presuntivi embrionali
durante la gastrulazione? 407
Analisi sperimentale dell’embrione di anfibi 409
Proprietà del labbro dorsale del blastoporo 410
Totipotenza e trapianto dei nuclei 411
Sviluppo dell’uovo di uccelli 414
Analisi sperimentale dell’embrione di uccelli 417
Sviluppo dell’uovo di mammiferi 417
Analisi sperimentale dell’embrione di mammiferi 421
Inserto 9.1: Geni e sviluppo embrionale 421
Inserto 9.2: Evoluzione e sviluppo embrionale 424
Capitolo 10
La genetica
generale
ed umana 427
Genetica formale 427
Il metodo e le prove sperimentali di Mendel 427
Caratteri singoli e la segregazione 432
Caratteri e assortimento indipendente 433
x
Indice generale
Esperienze mendeliane “ieri ed oggi” 434
Le leggi di Mendel 436
Caratteri mendeliani e reincrocio 437
La genetica “oltre” Mendel 438
Dominanza incompleta 439
Codominanza 440
Significato e valore della dominanza e della recessività 441
Allelia multipla 442
Pleiotropia 443
Interazione tra geni: l’epistasi 444
Il linkage: esperienze di Morgan e associazione
genica 447
Associazione completa ed associazione incompleta 452
Basi biologiche della ricombinazione 454
Complesso sinaptonemale, rotture a doppio filamento
e crossing over 455
Mappe fisiche e mappe genetiche 457
Crossing over ineguale 457
Ambiente e geni 461
L’ambiente e l’espressione dei geni: penetranza
ed espressività 461
Poligenia ed eredità quantitativa 463
Sesso e geni 467
Determinazione del sesso nelle specie animali 467
La trasmissione dei caratteri nella specie umana 476
Cromosomi umani e cariotipo 476
Studio dei caratteri ereditari umani 483
Eredità autosomica 486
Eredità associata al sesso 526
Eredità mitocondriale 542
Effetto materno 543
Inserto 10.1: Nasce la Genetica tra Johann Gregor
Mendel ed altri della prima metà del XX secolo 428
Inserto 10.2: Interazione genica 445
Inserto 10.3: I geni letali 446
Inserto 10.4: Il linkage come strumento per lo studio
del genoma umano 459
Inserto 10.5: Linkage disequilibrium 460
Inserto 10.6: Obesità 464
Inserto 10.7: Un diffuso, “antico” trasportatore
di ossigeno: l’emoglobina 497
Inserto 10.8: Proteine HLA e presentazione
dell’antigene 523
Inserto 10.9: Concetti di genetica di popolazione 545
Inserto 12.1: Biogenesi dei miRNA 606
Inserto 12.2: Le cellule staminali tumorali 609
Capitolo 11
Mutazioni:
tipi, origini,
conseguenze 547
Capitolo 13
Metodologie in campo
genomico
e post-genomico 611
Il materiale genetico, alleli, mutazione e variabilità 547
Mutazione: tipi e “classificazione” 548
Variazione della struttura del DNA 549
Mutazioni puntiformi 549
Mutazioni nelle regioni non codificanti del gene 553
Espansione delle ripetizioni di trinucleotidi 554
Mutazioni spontanee ed indotte. Agenti mutageni 556
Riparazione del DNA 561
Meccanismi di riparo del DNA 563
Danni al DNA ed invecchiamento 568
Variazioni della struttura dei cromosomi 569
Variazioni del numero dei cromosomi 579
Variazioni del numero dei cromosomi nella specie
umana 583
Inserto 11.1: Retromutazione e mutazione
a soppressore 567
Inserto 11.2: Una traslocazione criptica: un caso storico
di letteratura 578
Inserto 11.3: La non disgiunzione e le sue
conseguenze 580
Inserto 11.4: Disomia uniparentale 581
Inserto 11.5: Alcune tecniche di citogenetica molecolare
per la identificazione di mutazioni 591
Introduzione 611
La tecnologia del DNA ricombinante 612
Estrazione degli acidi nucleici 612
Enzimi per la manipolazione degli acidi nucleici 612
Individuazione di specifiche sequenze di DNA e di
RNA 618
Amplificazione di DNA in sistemi cellulari 624
Amplificazione di DNA in vitro 635
L’analisi delle sequenze di DNA 641
Clonare i geni 645
Come identificare il clone corretto 650
Genomica 652
Strategie dell’analisi genomica 653
Mappe genetiche: i polimorfismi del DNA 654
Mappe fisiche 657
Il Progetto Genoma Umano
(HGP, Human Genome Project) 661
Genomica funzionale e comparativa 665
Il futuro della genomica 666
Post-genomica 667
Analisi genetica 667
Animali transgenici 671
Trascrittomica 674
Proteomica 677
Interattomica 683
Capitolo 12
Genetica
del cancro 593
Oncogeni e proto-oncogeni 595
Oncosoppressori 599
Geni mutatori 603
I progressi nella prevenzione, diagnosi
e terapia del cancro: l’importanza della biologia
e genetica molecolare 604
Individuazione precoce di una lesione neoplastica 605
Determinazione della suscettibilità individuale al cancro
per i tumori ereditari 605
Bioinformatica 686
Nascita ed evoluzione della Bioinformatica 686
L’analisi di sequenze nucleotidiche e amminoacidiche 687
La bioinformatica in trascrittomica 700
La bioinformatica in proteomica 701
Bioinformatica e interattomica 704
Le applicazioni in campo medico 708
La diagnosi genetica 708
Infezioni da patogeni 711
Citogenetica molecolare 711
L’impronta genetica 713
Farmacogenomica 715
La terapia genica 716
Clonazione animale 718
Inserto 13.1: Estrazione di DNA e RNA 613
Indice generale
xi
Inserto 13.2: Gel elettroforesi in agarosio 619
Inserto 13.3: Ibridazione molecolare in Southern blot
623
Inserto 13.4: Lo screening bianco-blu 626
Inserto 13.15: Principi base per l’allestimento
di ibridi cellulari 659
Inserto 13.5: Il clonaggio del DNA 627
Inserto 13.16: I progetti genomici 662
Inserto 13.6: Metodi per modificare le estremità
del vettore o dell’inserto 628
Inserto 13.17: Approcci integrati per definire la funzione di un gene 668
Inserto 13.7: La trasformazione batterica 631
Inserto 13.18: Il meccanismo dell’RNAi 669
Inserto 13.8:0 Fago lambda, YAC e BAC 633
Inserto 13.19: Frazionamento di miscele proteiche 679
Inserto 13.9:0 La PCR in pratica 638
Inserto 13.20: Identificazione delle proteine 681
Inserto 13.10: La PCR quantitativa (real time-PCR)
640
Inserto 13.21: La tecnica del doppio ibrido
in lievito 684
Inserto 13.11: La rappresentatività di una libreria
genomica 646
Inserto 13.22: Gli SNPs e gli studi di associazione 696
Inserto 13.12: Sintesi di cDNA partendo da mRNA
e allestimento di librerie di cDNA 648
Inserto 13.13: Strategie di sequenziamento 653
xii
Inserto 13.14: La FISH (Fluorescence In Situ
Hybridization) 657
Indice generale
