Indice
CAPITOLO 1
Il mondo degli animali è rappresentato da un
moscerino, un verme, un topo e Homo sapiens
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
Introduzione alle cellule
Unità e diversità delle cellule
Le cellule sono diversissime tra loro per aspetto
e funzioni
La chimica di base è simile in tutte le cellule
viventi
C’è ragione di ritenere che tutte le cellule attuali
si siano evolute da un progenitore comune
I geni forniscono le istruzioni per la forma,
la funzione e i comportamenti complessi
della cellula
Le cellule al microscopio
L’invenzione del microscopio ottico ha portato
alla scoperta delle cellule
Quadro 1.1 Microscopia ottica ed elettronica
Il microscopio ci permette di vedere le cellule,
gli organelli e persino le molecole
La cellula procariotica
Tra i procarioti si riscontra la massima
diversificazione cellulare
L’insieme dei procarioti si divide in due domini:
gli Eubacteria e gli Archaea
La cellula eucariotica
Il nucleo funge da deposito delle informazioni
per la cellula
I mitocondri ricavano dal nutrimento energia
utilizzabile dalla cellula
I cloroplasti captano l’energia della luce solare
Le membrane interne delimitano comparti
intracellulari con funzioni differenti
Il citosol è una soluzione acquosa concentrata
di molecole grandi e piccole allo stato
di gel
Il citoscheletro è responsabile dei movimenti
cellulari mirati
Il citoplasma è tutt’altro che statico
Quadro 1.2 Cellule: caratteristiche principali
delle cellule animali, vegetali e batteriche
I progenitori delle cellule eucariotiche: i primi
predatori?
Organismi modello
I biologi molecolari si concentrano su Escherichia
coli
Il lievito di birra è una cellula eucariotica semplice
Arabidopsis, pianta scelta come modello
tra 300 000 specie
1
2
3
29
Cos’hanno in comune tutte le forme di vita?
30
Confrontando le sequenze del genoma risulta
evidente l’eredità condivisa da tutti i viventi
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
34
36
36
37
5
CAPITOLO 2
5
6
6
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28
29
I componenti chimici delle cellule
Legami chimici
I tipi di atomi che entrano nella formazione
delle cellule sono relativamente pochi
L’interattività di un atomo dipende dai
suoi elettroni più esterni
I legami ionici si formano con perdita
e acquisizione di elettroni
I legami covalenti si formano per condivisione
di elettroni
Ogni legame covalente ha una forza diversa
Esistono diversi tipi di legami covalenti
L’acqua è tenuta insieme da legami idrogeno
In acqua alcune molecole polari formano
acidi e basi
Molecole cellulari
La cellula è formata da composti del carbonio
Le cellule contengono quattro famiglie
principali di molecole organiche piccole
Nella cellula gli zuccheri sono sia fonte
di energia sia subunità costitutive
dei polisaccaridi
Gli acidi grassi sono dei componenti
delle membrane cellulari
Gli amminoacidi sono le subunità delle proteine
I nucleotidi sono le subunità del DNA
e dell’RNA
Le macromolecole cellulari
Le subunità delle macromolecole sono ordinate
in una sequenza specifica
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
Cosa sono le macromolecole?
I legami non covalenti definiscono la forma
di una macromolecola
Legami non covalenti consentono alle
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58
60
Indice
88-08-07135-9
macromolecole di unirsi selettivamente ad altre
molecole
61
Quadro 2.1 Legami e gruppi chimici
62
Quadro 2.2 Proprietà chimiche dell’acqua
64
Quadro 2.3 Rassegna di zuccheri vari
66
Quadro 2.4 Acidi grassi e altri lipidi
68
Quadro 2.5 I venti amminoacidi presenti
nelle proteine
Quadro 2.6 Panoramica sui nucleotidi
Quadro 2.7 Tipi principali di legami
non covalenti deboli
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
70
72
74
76
76
77
CAPITOLO 3
Energia, catalisi e biosintesi
La catalisi e l’utilizzo dell’energia
nella cellula
Condizione dell’ordine biologico è la liberazione
di calore da parte della cellula
Gli organismi fotosintetici usano la luce solare
per sintetizzare le molecole organiche
La cellula ottiene energia dall’ossidazione
delle molecole organiche
L’ossidazione e la riduzione comportano
trasferimenti di elettroni
Gli enzimi abbassano la barriera che ostacola
le reazioni chimiche
Quadro 3.1 Energia libera e reazioni biologiche
Se una reazione possa avvenire dipende dalla
sua variazione di energia libera
La concentrazione dei reagenti influenza
la variazione di energia libera e la direzione
di una reazione
La costante di equilibrio indica la forza delle
interazioni molecolari
Per le reazioni sequenziali le variazioni di energia
libera sono additive
La rapidità della diffusione consente agli enzimi
di incontrarsi con i loro substrati
Vmax e KM misurano l’efficienza enzimatica
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME INDIVIDUARE E MODIFICARE A PIACERE
81
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98
Attivazione di molecole vettrici e biosintesi 101
La formazione di un vettore attivato
è accoppiata ad una reazione favorita
energeticamente
102
L’ATP è il vettore attivato più in uso
nella cellula
103
L’energia accumulata nell’ATP viene spesso
convogliata nel legame tra due molecole
104
I PERCORSI METABOLICI CON LA CINETICA
NADH e NADPH sono vettori di elettroni
di notevole importanza
Nelle cellule sono presenti molte altre molecole
vettrici attivate
La sintesi di polimeri biologici richiede
un apporto energetico
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
VII
104
106
108
111
111
111
Capitolo 4
Struttura e funzione delle proteine
Struttura e forma delle proteine
114
Quadro 4.1 Alcuni esempi di funzioni generali
caratteristiche delle proteine
115
La forma di una proteina è specificata
nella sequenza amminoacidica
Le proteine si dispongono nella conformazione
di energia minima
Le molecole proteiche assumono forme
svariate e complesse
L’elica α e il piano β sono disposizioni spaziali
ricorrenti
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME SONDARE LA STRUTTURA DELLE PROTEINE
La spirale è un elemento architettonico che
ricorre spesso nelle strutture biologiche
127
Quadro 4.2 Quattro modelli diversi per
rappresentare una piccola proteina
128
Molte proteine hanno un nucleo rigido
formato da piani β
Le proteine presentano parecchi livelli
di organizzazione
Le catene polipeptidiche possibili
sono molte, quelle utili poche
Le proteine si possono classificare in famiglie
Spesso le molecole proteiche grandi sono
formate da più catene polipeptidiche
Le proteine possono aggregarsi in filamenti,
strati o globuli
Alcuni tipi di proteina assumono la forma
di lunghe fibre
Spesso le proteine extracellulari si stabilizzano
tramite legami covalenti crociati
Come funzionano le proteine
Tutte le proteine legano altre molecole
I siti di legame degli anticorpi hanno
una versatilità particolare
Gli enzimi sono catalizzatori potenti
ed estremamente specifici
Il lisozima esemplifica come funziona
un catalizzatore enzimatico
Il legame stretto con piccole molecole speciali
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137
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139
140
141
VIII
Indice
conferisce alle proteine funzioni supplementari
Come è regolata l’attività delle proteine
Spesso l’attività catalitica degli enzimi
è controllata da altre molecole
Gli enzimi allosterici possiedono due siti
di legame capaci di interagire tra loro
La fosforilazione può controllare l’attività
di una proteina inducendo un cambiamento
conformazionale
Anche le proteine associate al GTP sono
regolate tramite un gruppo fosfato,
che perdono e recuperano ciclicamente
Nella cellula l’idrolisi di nucleotidi fa fare ampi
movimenti alle proteine motrici
Spesso le proteine formano complessi voluminosi
che funzionano da macchine proteiche
Studiare su larga scala la struttura e la funzione
delle proteine sta facendo aumentare il ritmo
delle scoperte
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
Quadro 4.3 Rottura delle cellule e frazionamento
iniziale di estratti cellulari
Quadro 4.4 Separazione di proteine per cromatografia
Quadro 4.5 Separazione di proteine per elettroforesi
Quadro 4.6 Preparazione e uso di anticorpi
88-08-07135-9
144
145
145
180
183
183
183
146
CAPITOLO 6
148
148
150
151
152
153
153
153
154
156
157
158
CAPITOLO 5
DNA e cromosomi
Struttura e funzione del DNA
Una molecola di DNA consiste di due catene
complementari di nucleotidi
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
I GENI SONO FATTI DI DNA?
Nella struttura del DNA è implicito
un meccanismo per l’eredità
La struttura dei cromosomi eucariotici
Il DNA eucariotico è impacchettato
in cromosomi
I cromosomi contengono lunghi tratti
occupati da geni
I cromosomi assumono stati diversi durante
la vita della cellula
I cromosomi interfasici si dispongono in modo
organizzato all’interno del nucleo
Il DNA cromosomico è fortemente condensato
I nucleosomi sono le unità base della struttura
cromatinica
Il DNA dei cromosomi si trova a vari livelli
di compressione
I cromosomi interfasici contengono cromatina
in forma distesa e in forma condensata
Opportune variazioni della struttura
nucleosomica consentono l’accesso al DNA
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
162
163
164
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175
175
176
178
179
DNA: come si replica, si ripara e ricombina
La replicazione del DNA
L’accoppiamento delle basi consente
la replicazione del DNA
La sintesi del DNA parte all’altezza
delle origini di replicazione
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME LOCALIZZARE LE ORIGINI DI REPLICAZIONE
La sintesi di nuovo DNA avviene alla forcella
replicativa
La forcella replicativa è asimmetrica
La DNA polimerasi si autocorregge
Brevi tratti di RNA fanno da innesco
per la sintesi del DNA
A livello della forcella replicativa le proteine
collaborano fra loro formando una macchina
per copiare
La telomerasi replica le estremità
dei cromosomi eucariotici
I processi replicativi del DNA sono tra i meglio
conosciuti della biologia cellulare
La riparazione del DNA
Le mutazioni possono compromettere
un organismo in modo grave
Rilevando gli appaiamenti scorretti il sistema
di riparazione elimina gli errori di ricopiatura
sfuggiti alla macchina replicatrice
Il DNA cellulare viene danneggiato di continuo
La stabilità dei geni dipende
dalla riparazione del DNA
Per la fedeltà con cui si trasmette il DNA
le specie strettamente affini hanno proteine
a sequenza molto simile
La ricombinazione del DNA
La ricombinazione omologa consiste in uno
scambio di informazione genetica ad alta
precisione
La ricombinazione può avvenire anche
tra sequenze di DNA non omologhe
Gli elementi genetici mobili codificano
le molecole di cui hanno bisogno
per spostarsi
Due famiglie di sequenze trasponibili rendono
conto di buona parte del genoma umano
I virus sono elementi genetici a mobilità
completa, capaci di uscire dalla cellula
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206
208
208
209
210
Indice
88-08-07135-9
Nei retrovirus l’informazione genetica fluisce
in direzione opposta a quella consueta
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
212
215
215
216
CAPITOLO 7
Dal DNA alle proteine:
come la cellula legge il genoma
Dal DNA all’RNA
Tratti della sequenza di DNA vengono
trascritti in RNA
La trascrizione produce RNA complementare
a uno dei filamenti del DNA
Nella cellula si producono parecchi tipi di RNA
Appositi segnali sul DNA indicano alla RNA
polimerasi dove cominciare e dove finire
Gli RNA eucariotici sono trascritti nel nucleo
dove subiscono, nel contempo, un processo
di modificazione
I geni eucariotici sono interrotti da sequenze
non codificanti
Gli introni vengono rimossi dall’RNA
con tagli e saldature (splicing)
Gli mRNA eucariotici maturi vengono
esportati selettivamente dal nucleo
Le molecole di mRNA finiscono per essere
degradate dalla cellula
Forse le cellule primitive possedevano geni
dotati di introni
Dall’RNA alle proteine
La sequenza dell’mRNA viene decodificata
a gruppi di tre nucleotidi
Le molecole di tRNA combinano
gli amminoacidi ai codoni dell’mRNA
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME DECIFRARE IL CODICE GENETICO
Enzimi specifici accoppiano i tRNA
all’amminoacido giusto
La decodifica dell’RNA messaggero
avviene sui ribosomi
Il ribosoma è un ribozima
Appositi codoni dell’RNA messaggero segnalano
dove cominciare e terminare la proteinosintesi
Le proteine vengono sintetizzate
sui poliribosomi
Gli inibitori della sintesi proteica procariotica
si usano come antibiotici
Un controllo fine della degradazione di ogni
proteina contribuisce a regolarne
la concentrazione cellulare
Tra il DNA e le proteine si interpongono
numerosi processi
220
220
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241
243
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245
246
247
L’RNA e l’origine della vita
L’autocatalisi è condizione per la vita
L’RNA può sia immagazzinare informazione
sia catalizzare reazioni chimiche
Si ritiene che nell’evoluzione l’RNA
abbia preceduto il DNA
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
IX
248
249
249
251
252
253
254
CAPITOLO 8
Il controllo dell’espressione genica
L’espressione genica
I diversi tipi di cellula presenti in un organismo
pluricellulare hanno tutti lo stesso DNA
Tipi cellulari diversi producono
diversi corredi di proteine
Una cellula può modificare l’espressione
dei suoi geni in risposta a segnali esterni
L’espressione genica può essere regolata
in più punti del percorso che conduce
dal DNA all’RNA e quindi alle proteine
Come funzionano gli interruttori
di trascrizione
La trascrizione viene controllata da proteine
che si legano a sequenze regolatrici del DNA
I repressori spengono i geni, gli attivatori li
accendono
Un attivatore e un repressore controllano
l’operone lac
Nel gene eucariotico l’inizio della trascrizione
richiede un iter complesso
La RNA polimerasi eucariotica richiede
i fattori generici di trascrizione
Negli eucarioti le proteine regolatrici
controllano l’espressione genica a distanza
L’impacchettamento del promotore in
nucleosomi può influenzare l’inizio
della trascrizione
I meccanismi molecolari che danno origine
a cellule specializzate di vario tipo
I geni eucariotici sono regolati da combinazioni
di proteine
Una sola proteina può coordinare l’espressione
di diversi geni
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME DECIFRARE LA REGOLAZIONE GENICA:
LA STORIA DI EVE
Il controllo combinatorio può dare origine
a cellule di diverso tipo
Le cellule figlie possono ricevere in eredità
un quadro di espressione genica
già stabilizzato
256
257
257
257
259
259
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268
269
269
270
271
274
276
X
Indice
Un solo regolatore genico può innsecare
la formazione di un organo intero
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
88-08-07135-9
284
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME CONTARE I GENI
La variazione genetica presente nel genoma
umano contribuisce alla nostra
individualità
Il confronto del nostro DNA con quello
di organismi imparentati aiuta
a interpretare il genoma umano
Il genoma umano contiene ancora molte
informazioni da decifrare
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
285
CAPITOLO 10
277
278
279
279
CAPITOLO 9
Geni e genomi: come si evolvono
La sorgente della variazione genetica
I tipi di cambiamento genetico cruciali per
l’evoluzione sono cinque
Il genoma si altera quando i meccanismi
normali di copiatura e manutenzione
del DNA non funzionano bene
Duplicazioni del DNA nell’ambito dello
stesso genoma danno origine a famiglie
di geni affini
L’evoluzione della famiglia dei geni globinici
mostra come le duplicazioni geniche
contribuiscono all’evoluzione
degli organismi
Duplicazione genica e divergenza sono
una ricca fonte di innovazione genetica
per l’evoluzione degli organismi viventi
Nuovi geni possono nascere per ripetizione
dello stesso esone
Dal rimescolamento degli esoni possono
nascere geni nuovi
Il movimento degli elementi trasponibili ha
accelerato l’evoluzione dei genomi
Gli organismi possono scambiarsi geni
per trasferimento genico orizzontale
Ricostruire l’albero genealogico della vita
Le variazioni genetiche che comportano
un vantaggio selettivo per l’organismo
hanno la maggior probabilità di conservarsi
Le sequenze genomiche di due specie
differiscono in proporzione al tempo
trascorso evolvendosi su percorsi separati
Il genoma dell’uomo somiglia a quello dello
scimpanzé per organizzazione
e per sequenza nucleotidica
Il DNA cruciale funzionalmente
emerge come un arcipelago
di sequenze conservate
Il confronto tra genomi indica che il “DNA
spazzatura” non è indispensabile
La conservazione delle sequenze ci permette
di ricostruire le parentele evolutive
anche più lontane
L’analisi del genoma umano
La sequenza nucleotidica del genoma umano
mostra la disposizione dei nostri geni
282
302
304
304
305
307
308
308
Manipolare geni e cellule
286
287
289
289
290
290
291
293
293
294
295
296
297
298
299
300
Come isolare le cellule e farle crescere
in coltura
Da un tessuto si può ottenere una popolazione
uniforme di cellule
Le cellule si possono far crescere in piastra
di coltura
Mantenere le cellule eucariotiche in coltura
comporta particolari difficoltà
Come si analizzano le molecole di DNA
Le nucleasi di restrizione tagliano le molecole
di DNA a siti specifici
L’elettroforesi su gel separa i frammenti
di DNA di misura diversa
I frammenti di DNA si possono sequenziare
Le sequenze genomiche vengono scandagliate
per identificare geni
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME SEQUENZIARE IL GENOMA UMANO
L’ibridazione di acidi nucleici
L’ibridazione del DNA facilita la diagnosi
di malattie ereditarie
L’ibridazione su microarray a DNA serve
a monitorare l’espressione di migliaia
di geni contemporaneamente
L’ibridazione in situ individua la collocazione
delle sequenze nucleotidiche nella cellula
e nei cromosomi
Il clonaggio del DNA
Si ottengono molecole di DNA ricombinante
congiungendo frammenti di DNA
con la DNA ligasi
Il DNA ricombinante si può copiare
all’interno delle cellule dei batteri
Per clonare il DNA si usano vettori
plasmidici specializzati
Con il clonaggio del DNA si isolano i geni
umani
312
313
313
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319
321
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324
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328
329
330
330
332
Indice
XI
334
Il trasporto di membrana
336
340
I principi del trasporto di membrana
Le concentrazioni ioniche dentro la cellula
differiscono molto da quelle fuori
Il doppio strato lipidico è impermeabile
ai soluti e agli ioni
Le proteine di trasporto della membrana si
distinguono in due categorie: i vettori
e i canali
I soluti attraversano la membrana
per trasporto attivo o passivo
Le proteine vettore e le loro funzioni
Il trasporto passivo è alimentato dal gradiente
di concentrazione e da forze elettriche
Il trasporto attivo sposta i soluti contro il loro
gradiente elettrochimico
Le cellule animali usano l’energia di idrolisi
dell’ATP per pompare fuori Na+
La pompa Na+-K+ opera legando
transitoriamente un gruppo fosfato
Le cellule animali utilizzano il gradiente
di Na+ per assumere attivamente sostanze
nutritive
La pompa Na+-K+ contribuisce a mantenere
l’equilibrio osmotico nella cellula animale
La concentrazione intracellulare di Ca2+
viene mantenuta bassa da apposite pompe
per il calcio
Nelle piante, nei funghi e nei batteri i gradienti
di H+ servono ad alimentare il trasporto
di membrana
I canali ionici e il potenziale di membrana
I canali ionici sono selettivi per ione
e sono a controllo di apertura
I canali ionici oscillano casualmente
tra stato aperto e chiuso
Stimoli di vario tipo influenzano l’apertura
e la chiusura dei canali ionici
I canali ionici a controllo di potenziale
rispondono al potenziale di membrana
Il potenziale di membrana è determinato
dalla permeabilità della membrana a ioni
specifici
I canali ionici e la produzione di segnale
nella cellula nervosa
I potenziali d’azione permettono una
comunicazione rapida su grandi distanze
I potenziali d’azione sono mediati
generalmente dai canali per Na+
a controllo voltaico
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
DAL CALAMARO I SEGRETI DELL’ECCITABILITÀ
378
88-08-07135-9
Le genoteche di cDNA rappresentano
l’mRNA prodotto da un particolare tessuto
La reazione polimerasica a catena amplifica
sequenze di DNA opportunamente scelte
L’ingegneria genetica
Si possono costruire molecole di DNA
completamente nuove
Con il DNA clonato si fabbricano in grandi
quantità proteine cellulari rare
Geni opportunamente costruiti possono
rivelare quando e dove si esprime un gene
Gli organismi mutanti sono i migliori
rivelatori della funzione di un gene
Gli animali sono modificabili geneticamente
Le piante transgeniche sono importanti
per la biologia cellulare e per l’agricoltura
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
CAPITOLO 12
340
340
341
343
343
347
348
349
349
CAPITOLO 11
La struttura delle membrane
Il doppio strato lipidico
Nell’acqua i lipidi di membrana
si dispongono su due strati
Il doppio strato lipidico è un fluido
bidimensionale
La fluidità di un doppio strato lipidico
dipende dalla sua composizione
Il doppio strato lipidico è asimmetrico
L’asimmetria lipidica nasce all’interno
della cellula
Le proteine di membrana
Le proteine di membrana si associano in vari
modi al doppio strato lipidico
Una catena polipeptidica generalmente
attraversa il doppio strato lipidico
come elica α
Le proteine di membrana si possono
solubilizzare con detergenti e purificare
Di alcune proteine di membrana si conosce
la struttura completa
La membrana plasmatica è rinforzata
dal cortex, lo strato corticale della cellula
La superficie della cellula è rivestita
di carboidrati
Le cellule hanno il potere di limitare
il movimento delle proteine di membrana
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME MISURARE I FLUSSI INTRINSECI DI MEMBRANA
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
355
355
358
360
361
361
362
363
364
365
366
368
370
371
373
375
375
375
DELLA MEMBRANA
378
379
379
380
380
382
383
384
385
385
388
390
390
392
392
393
395
397
397
399
400
401
404
XII
Indice
Al neuroterminale i canali per Ca2+
a controllo di potenziale trasformano
i segnali elettrici in segnali chimici
Nelle cellule bersaglio i canali a controllo
di trasmettitore ritrasformano il segnale
chimico in segnale elettrico
I neuroni ricevono stimoli sia eccitatori
sia inibitori
I canali a controllo di trasmettitore sono
il bersaglio dei farmaci psicoattivi
Le connessioni sinaptiche ci fanno pensare,
agire e ricordare
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
88-08-07135-9
CAPITOLO 14
406
406
408
408
410
411
412
412
CAPITOLO 13
Come le cellule traggono energia
dal cibo
La demolizione degli zuccheri e dei grassi
Le molecole nutritive passano per tre stadi
degradativi
La glicolisi occupa una posizione centrale
come via di produzione dell’ATP
Nella fermentazione si produce ATP
in assenza di ossigeno
Quadro 13.1 I dieci stadi della glicolisi
nei particolari
La glicolisi mostra come gli enzimi
accoppiano l’ossidazione al recupero
di energia
Nei mitocondri zuccheri e grassi
si degradano ad acetil CoA
Il ciclo dell’acido citrico genera NADH
ossidando gruppi acetilici a CO2
Nella maggior parte delle cellule il trasporto
degli elettroni alimenta la sintesi di quasi
tutto l’ATP cellulare
L’accumulo e l’utilizzo del cibo
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
IL DISVELAMENTO DEL CICLO DELL’ACIDO
CITRICO
Gli organismi accantonano le molecole
nutritive in appositi magazzini
Nelle cellule vegetali cloroplasti e mitocondri
collaborano
Molte vie biosintetiche partono dalla glicolisi
o dal ciclo dell’acido citrico
Il metabolismo è organizzato e regolato
Concetti essenziali
Parole chiave
Quadro 13.2 Ciclo completo dell’acido citrico
Quesiti finali
415
415
417
419
420
422
422
427
Mitocondri e cloroplasti
come generatori di energia
Le cellule si procurano energia in gran parte
con un meccanismo basato su membrane
I mitocondri e la fosforilazione ossidativa
Il mitocondrio ha una membrana esterna, una
interna e due comparti interni
Il ciclo dell’acido citrico genera elettroni ad alta
energia
Il processo chemiosmotico trasforma in ATP
l’energia di ossidazione
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME L’ACCOPPIAMENTO CHEMIOSMOTICO
ALIMENTA LA SINTESI DI ATP
Gli elettroni percorrono una catena di proteine
immersa nella membrana mitocondriale
interna
Il trasporto di elettroni genera un gradiente
protonico attraverso la membrana
Il gradiente protonico alimenta la sintesi
di ATP
Il trasporto accoppiato attraverso la membrana
mitocondriale interna è alimentato
dal gradiente elettrochimico dei protoni
I gradienti protonici producono la maggior
parte dell’ATP cellulare
La conversione rapida di ADP in ATP a livello
dei mitocondri mantiene alto il rapporto
ATP/ADP nella cellula
Le catene di trasporto di elettroni
e le pompe protoniche
Il trasferimento di elettroni sposta facilmente
i protoni
Il potenziale redox misura l’affinità
per gli elettroni
Quadro 14.1 Potenziali redox
429
429
430
432
434
434
435
437
437
438
440
I trasferimenti di elettroni liberano moltissima
energia
Alcuni metalli in stretto legame con le proteine
fungono da vettori di elettroni molto versatili
La citocromo ossidasi catalizza la riduzione
dell’ossigeno
Il meccanismo di traslocazione di H+ sta
per essere chiarito a livello atomico
La respirazione ha una efficienza
impressionante
I cloroplasti e la fotosintesi
I cloroplasti assomigliano ai mitocondri, ma
possiedono un compartimento in più
I cloroplasti catturano l’energia della luce solare
e la utilizzano per fissare il carbonio
Le molecole eccitate di clorofilla convogliano
l’energia in un centro di reazione
441
443
443
445
446
448
450
450
452
454
455
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457
458
459
460
460
462
464
465
467
468
469
470
Indice
88-08-07135-9
L’energia luminosa alimenta la sintesi di ATP
e NADPH
La ribulosio bisfosfato carbossilasi catalizza
la fissazione del carbonio
Saccarosio e amido derivano dalla fissazione
del carbonio nei cloroplasti
L’origine dei cloroplasti e dei mitocondri
La fosforilazione ossidativa conferì agli antichi
batteri un vantaggio evolutivo
I batteri fotosintetici si resero ancora
più indipendenti dalle risorse ambientali
Il tipo di metabolismo proprio di Methanococcus
indica che l’accoppiamento chemiosmotico
ha origini molto antiche
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
471
474
475
476
DELLE PROTEINE E DELLE VESCICOLE DI TRASPORTO
477
478
479
481
481
482
CAPITOLO 15
Compartimenti intracellulari
e trasporto
Gli organelli delimitati da membrana
Le cellule eucariotiche possiedono un corredo
base di organelli delimitati da membrana
Gli organelli delimitati da membrana
si sono evoluti secondo percorsi diversi
Lo smistamento delle proteine
Gli organelli importano le proteine
con tre sistemi
Le sequenze segnale indirizzano le proteine
al compartimento giusto
Le proteine entrano nel nucleo passando
per i pori nucleari
Per entrare nei mitocondri e nei cloroplasti
le proteine devono distendersi
Le proteine entrano nel reticolo
endoplasmatico durante la sintesi
Le proteine solubili si liberano nella cavità
dell’RE
I segnali di inizio e fine determinano
la disposizione di una proteina
transmembrana nel doppio strato lipidico
Il trasporto vescicolare
Le vescicole di trasporto portano proteine
solubili e componenti di membrana
da un compartimento all’altro
La gemmazione vescicolare è innescata
dall’aggregarsi di un rivestimento proteico
Nelle vescicole la specificità dello scalo
di destinazione dipende dagli SNARE
Le vie secretorie
Quasi tutte le proteine subiscono modificazioni
covalenti a livello dell’RE
La qualità delle proteine è assicurata
da controlli in uscita dall’RE
Le proteine subiscono ulteriori modificazioni
nell’apparato di Golgi, che poi provvede a
smistarle
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME RICOSTRUIRE I FLUSSI DI TRAFFICO
486
Le proteine da secernere escono dalla cellula
per esocitosi
Le vie endocitiche
Cellule fagocitarie specializzate ingeriscono
particelle di grandi dimensioni
La pinocitosi serve ad assumere fluidi
e macromolecole
L’endocitosi mediata da recettori costituisce
una via d’accesso specifica nella cellula
animale
Gli endosomi smistano le macromolecole
internalizzate per endocitosi
La digestione intracellulare avviene
principalmente nei lisosomi
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
XIII
505
506
508
510
511
512
513
513
515
515
517
518
518
486
488
490
CAPITOLO 16
490
I principi generali dello scambio di segnali
tra cellule
I segnali possono avere efficacia a breve
o largo raggio
Ogni cellula risponde a un ventaglio ristretto
di segnali
I recettori trasmettono i segnali lungo appositi
percorsi intracellulari
L’ossido nitrico attraversa la membrana
plasmatica e attiva direttamente gli enzimi
intracellulari
Alcuni ormoni attraversano la membrana
cellulare e si legano a recettori intracellulari
I recettori di superficie appartengono
a tre classi principali
I recettori annessi ai canali ionici trasformano
segnali chimici in elettrici
Molte proteine segnale intracellulari agiscono
come interruttori molecolari
I recettori accoppiati a proteine G
Stimolando recettori associati a proteine G
si attivano subunità di proteina G
Alcune proteine G regolano canali ionici
Alcune proteine G attivano enzimi legati
alla membrana
491
492
494
495
496
498
500
500
501
502
504
504
La comunicazione cellulare
520
521
524
525
527
528
530
530
532
533
533
536
536
XIV
Indice
La via dell’AMP ciclico può attivare enzimi
e accendere geni
La via del fosfolipide inositolo innesca un
incremento di Ca2+ intracellulare
Il segnale del calcio innesca molti processi
biologici
La trasmissione a cascata dei segnali
intracellulari può raggiungere velocità,
sensibilità e flessibilità impressionanti:
uno sguardo ai fotorecettori dell’occhio
I recettori legati a enzimi
I recettori tirosin chinasici attivati fanno aggregare
un complesso di proteine segnale intracellulari
I recettori tirosin chinasici attivano la proteina
Ras che lega il GTP
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME DIPANARE LA MATASSA DELLE VIE
DI SEGNALAZIONE CELLULARE
Alcuni recettori legati a enzimi attivano
una corsia rapida diretta al nucleo
Le reti protein chinasiche integrano
l’informazione per controllare
i comportamenti cellulari complessi
La pluricellularità e la comunicazione cellulare
hanno avuto una evoluzione autonoma
nelle piante e negli animali
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
88-08-07135-9
537
539
541
542
544
544
545
548
551
552
554
555
556
556
CAPITOLO 17
Il citoscheletro
I filamenti intermedi
I filamenti intermedi hanno la consistenza
di corde robuste
I filamenti intermedi rendono la cellula
più resistente ai danni meccanici
La lamina nucleare ha il sostegno di una rete
di filamenti intermedi
I microtubuli
I microtubuli sono tubi cavi con estremità
distinte strutturalmente
Il centrosoma è il principale centro
organizzatore dei microtubuli nelle cellule
animali
I microtubuli in crescita mostrano instabilità
dinamica
I microtubuli si mantengono grazie all’equilibrio
tra polimerizzazione e depolimerizzazione
I microtubuli organizzano la cellula
al suo interno
Le proteine motrici effettuano i trasporti
intracellulari
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
CACCIA ALLE PROTEINE MOTRICI
Gli organelli si spostano lungo i microtubuli
Le ciglia e i flagelli contengono microtubuli
stabili che la dineina mette in movimento
I filamenti actinici
I filamenti actinici sono sottili e flessibili
Actina e tubulina polimerizzano con un
meccanismo simile
Molte proteine si legano all’actina
e ne modificano le proprietà
Un cortex ricco di actina sottende la membrana
plasmatica nella maggior parte delle cellule
eucariotiche
Le cellule strisciano grazie all’actina
L’actina si associa con la miosina a formare
strutture contrattili
Segnali extracellulari controllano
la disposizione dei filamenti actinici
La contrazione muscolare
La contrazione muscolare ha la sua base
strutturale nei fasci di actina e miosina
Durante la contrazione muscolare i filamenti
di actina slittano su quelli di miosina
La contrazione muscolare si innesca
per un improvviso aumento
della concentrazione di Ca2+
Le cellule muscolari svolgono funzioni
ad alta specializzazione nell’organismo
umano
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
571
574
575
577
578
579
579
580
581
584
584
585
586
587
589
591
592
592
593
559
CAPITOLO 18
560
561
563
564
564
565
566
567
568
569
Controllo del ciclo cellulare
e morte della cellula
Una panoramica sul ciclo cellulare
Il ciclo della cellula eucariotica si divide
in quattro fasi
Un sistema centrale di controllo innesca
i processi più importanti del ciclo cellulare
Il sistema di controllo del ciclo cellulare
Il sistema di controllo del ciclo cellulare si basa
su protein chinasi ad attivazione periodica
L’accumulo e la distruzione delle cicline regola
le protein chinasi ciclina-dipendenti
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
LA SCOPERTA DI CICLINE E CDK
Anche l’attività delle Cdk è regolata tramite
fosforilazione e defosforilazione
Complessi ciclina-Cdk diversi innescano le varie
fasi del ciclo cellulare
596
597
598
600
600
600
602
604
604
Indice
88-08-07135-9
S-Cdk innesca la replicazione del DNA
e contribuisce a bloccare una nuova
replicazione
Le Cdk restano inattive per gran parte di G1
Il sistema di controllo può fermare il ciclo
cellulare in punti di controllo specifici
Le cellule possono disfarsi del sistema
di controllo e abolire il ciclo riproduttivo
La morte cellulare programmata (apoptosi)
L’apoptosi è mediata da un processo proteolitico
a cascata
Il programma letale è sotto il controllo di Bcl-2,
una famiglia di proteine intracellulari
Il controllo extracellulare del numero
e delle dimensioni cellulari
Le cellule animali necessitano di segnali
extracellulari per dividersi, crescere e restare
in vita
I mitogeni inducono le cellule a dividersi
I fattori di crescita extracellulari inducono
le cellule a crescere
Le cellule animali hanno bisogno dei fattori di
sopravvivenza per evitare l’apoptosi
Alcune proteine segnale extracellulari inibiscono
la crescita, la divisione e la permanenza
in vita delle cellule
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
605
607
607
608
609
610
612
613
613
614
615
616
617
618
618
619
CAPITOLO 19
La divisione cellulare
Una panoramica sulla fase M
Proteine che legano il DNA configurano i
cromosomi duplicati per la segregazione, in
preparazione alla fase M
Il citoscheletro espleta i processi della mitosi
e della citochinesi
I centrosomi si duplicano e contribuiscono
a formare i due poli del fuso mitotico
Per convenzione si suddivide la fase M
in sei stadi
La mitosi
L’instabilità dei microtubuli facilita la
formazione del fuso mitotico
Il fuso mitotico comincia ad assemblarsi
in profase
Quadro 19.1 Stadi principali della fase M
in una cellula animale
In prometafase i cromosomi si attaccano
al fuso mitotico
FARE PER SAPERE IERI, OGGI
COME SI AUTOCOSTRUISCE IL FUSO
622
622
623
623
624
624
625
625
626
628
630
Alla metafase i cromosomi si allineano
all’equatore del fuso
All’anafase segregano i cromosomi figli
Alla telofase si ricostituisce l’involucro
nucleare
Alla mitosi si frammentano alcuni organelli
La citochinesi
Il fuso mitotico determina il piano
di divisione del citoplasma
L’anello contrattile della cellula animale
è formato da actina e miosina
Nelle cellule vegetali la citochinesi comporta
la formazione di nuova parete cellulare
I gameti si formano con un tipo particolare
di divisione cellulare
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti finali
XV
632
632
634
634
635
635
636
638
639
639
640
640
CAPITOLO 20
La genetica, la meiosi
e le basi molecolari dell’ereditarietà
I benefici del sesso
La riproduzione sessuale comporta
l’alternanza di cellule diploidi e aploidi
La riproduzione sessuale dà agli organismi
un vantaggio competitivo
La meiosi
Le cellule germinali aploidi derivano da cellule
diploidi tramite la meiosi
La meiosi comporta uno speciale processo
di appaiamento dei cromosomi
I cromosomi paterni e materni ricombinano
ampiamente tra loro
L’appaiamento dei cromosomi
e la ricombinazione garantiscono
la segregazione corretta degli omologhi
La seconda divisione meiotica produce
cellule figlie aploidi
Le cellule aploidi contengono una
informazione genetica ampiamente
rimescolata
La meiosi non è infallibile
La fecondazione ricostituisce il genoma
al completo
Mendel e le leggi dell’eredità
Mendel decise di studiare caratteri che si
trasmettono come categorie discrete
Mendel poté smentire le teorie alternative
dell’eredità
Gli esperimenti di Mendel rivelarono per la
prima volta la natura particellare
e corpuscolare dei fattori ereditari
643
644
646
646
647
647
649
649
650
652
653
654
654
655
656
657
XVI
Indice
Ogni gamete reca un solo allele per ogni
carattere
La legge della segregazione di Mendel
si applica a tutti gli organismi che
si riproducono sessualmente
Gli alleli per caratteri diversi segregano
indipendentemente
Le leggi mendeliane dell’eredità si basano sul
comportamento dei cromosomi alla meiosi
La frequenza di ricombinazione può servire a
stabilire l’ordine dei geni sui cromosomi
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
COME LEGGERE LE MAPPE
DI ASSOCIAZIONE GENICA (GENETIC LINKAGE)
Il fenotipo dell’eterozigote indica se un allele
è dominante o recessivo
A volte gli alleli mutanti apportano un
vantaggio selettivo
Quadro 20.1Punti essenziali della genetica classica
88-08-07135-9
658
658
660
660
663
664
666
666
667
La genetica sperimentale come strumento
di analisi
668
L’approccio classico comincia
con la mutagenesi casuale
668
Gli screening genetici identificano i mutanti
deficitari per funzioni cellulari
669
Il test di complementazione indica se due
mutazioni sono a carico dello stesso gene
671
I geni umani sono ereditati a blocchi di aplotipo:
questo aiuta nella ricerca di mutazioni
che causano malattie
671
I caratteri complessi sono influenzati
da molti geni
673
Il nostro destino sta scritto nel DNA?
674
Concetti essenziali
675
Parole chiave
676
Quesiti finali
676
CAPITOLO 21
Tessuti e cancro
La matrice extracellulare e i tessuti
connettivi
680
Le cellule vegetali hanno robuste pareti esterne 680
Quadro 21.1 Tipi cellulari e tessutali
che costituiscono le piante superiori
Le fibre di cellulosa rendono la parete cellulare
delle piante resistente alla trazione
I tessuti connettivi animali sono costituiti
in gran parte da matrice extracellulare
Nei tessuti connettivi animali il collageno
fornisce la resistenza alla trazione
Le cellule strutturano il collageno che
secernono
Le integrine connettono la matrice
682
684
685
extracellulare con il citoscheletro
endocellulare
688
Polisaccaridi e proteine in gel riempiono
glispazi, e conferiscono resistenza
alla compressione
690
Gli strati epiteliali e le giunzioni
cellula-cellula
691
Gli strati epiteliali sono dotati di polarità
e poggiano su una lamina basale
692
Le giunzioni occludenti sigillano l’epitelio
per evitare le perdite e separano il lato
apicale dal lato basale
694
Giunzioni connesse al citoscheletro legano
saldamente le cellule epiteliali tra loro
e alla lamina basale
694
Le giunzioni canalari a gap fanno passare
da una cellula all’altra ioni e molecole
piccole
697
La manutenzione e il ricambio dei tessuti 700
I tessuti sono insiemi organizzati composti
da cellule di vario tipo
702
Ogni tessuto si rinnova a un suo ritmo
caratteristico
703
Le cellule staminali riforniscono continuamente
l’organismo di cellule completamente
differenziate
704
Le cellule staminali possono servire a riparare
tessuti danneggiati
707
Il trapianto di nucleo permette di ottenere
cellule staminali embrionali personalizzate:
la strategia della clonazione terapeutica
708
Il cancro
709
Le cellule cancerose proliferano, invadono
e metastatizzano
709
L’epidemiologia ha identificato cause
del cancro che si possono prevenire
710
Il cancro si sviluppa per un accumulo
di mutazioni
711
Nel tessuto tumorale si evolvono caratteri che
gli conferiscono un vantaggio competitivo
712
Per il cancro sono cruciali geni di vario tipo
713
Il cancro colorettale esemplifica bene come
la perdita di un gene possa condurre
alla crescita tumorale
715
FARE PER SAPERE, IERI, OGGI
I GENI CRUCIALI PER IL CANCRO CHE FUNZIONE HANNO? 717
Comprendere la biologia cellulare del cancro
spiana la strada a nuove terapie
719
Concetti essenziali
721
Parole chiave
722
Quesiti finali
722
686
688
GLOSSARIO
RISPOSTE AI QUESITI
APPENDICE
