VII
Indice
CAPITOLO 1
Introduzione alle cellule
• Unità e diversità delle cellule
Le cellule sono diversissime tra loro per aspetto e funzione
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
2
2
3
5
5
6
L’invenzione del microscopio ottico ha portato
alla scoperta delle cellule
6
䊏 TAVOLA 1.1 Microscopia
8
Il microscopio permette di vedere le cellule, gli organelli
e persino le molecole
10
• La cellula procariotica
13
Tra i procarioti si riscontra la massima diversificazione
cellulare
14
L’insieme dei procarioti si divide in due domini:
i Bacteria e gli Archaea
15
• La cellula eucariotica
16
Il nucleo funge da magazzino dell’informazione
per la cellula
16
I mitocondri generano dal nutrimento energia adatta
ad alimentare la cellula
17
I cloroplasti captano l’energia della luce solare
18
Le membrane interne delimitano comparti intracellulari
con funzioni differenti
20
Il citosol è una soluzione acquosa concentrata
di molecole grandi e piccole allo stato di gel
22
Il citoscheletro è responsabile dei movimenti cellulari
mirati
22
Il citoplasma è tutt’altro che statico
23
I progenitori delle cellule eucariotiche: i primi predatori? 24
䊏 TAVOLA 1.2 L’architettura delle cellule
25
• Organismi modello
26
I biologi molecolari si concentrano su Escherichia coli
27
Il lievito di birra è una cellula eucariotica semplice
27
Arabidopsis, la pianta scelta come modello
tra 300 000 specie
28
Il mondo degli animali è rappresentato da un
moscerino, un verme, un topo e Homo sapiens
29
FARE PER SAPERE Che cos’hanno in comune tutte
le forme di vita?
30
Confrontando le sequenze del genoma risulta evidente
l’eredità condivisa di tutti i viventi
33
Concetti essenziali
35
Parole chiave
36
Quesiti
37
CAPITOLO 2
I componenti chimici delle cellule
• I legami chimici
40
I tipi di atomi che costituiscono le cellule sono
relativamente pochi
40
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
Nella cellula le attrazioni elettrostatiche contribuiscono
ad aggregare le molecole
L’acqua è tenuta insieme da legami a idrogeno
In acqua alcune molecole polari formano acidi e basi
• Le molecole nella cellula
La cellula è formata da composti del carbonio
Le cellule contengono quattro famiglie principali
di molecole organiche piccole
Gli zuccheri sono fonte di energia per la cellula
e anche 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 nella cellula
Nelle macromolecole le subunità sono ordinate
in una sequenza specifica
I legami non covalenti definiscono la forma
precisa di una macromolecola
FARE PER SAPERE Che cosa sono le macromolecole?
Legami non covalenti consentono
alle macromolecole di unirsi selettivamente
ad altre molecole
䊏 TAVOLA 2.1 Legami e gruppi chimici
䊏 TAVOLA 2.2 Le proprietà chimiche dell’acqua
䊏 TAVOLA 2.3 Profilo di alcuni tipi di zucchero
䊏 TAVOLA 2.4 Acidi grassi e altri lipidi
䊏 TAVOLA 2.5 I 20 amminoacidi presenti
nelle proteine
䊏 TAVOLA 2.6 Panoramica sui nucleotidi
䊏 TAVOLA 2.7 I tipi principali di legami non covalenti
deboli
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
41
44
45
46
47
47
48
49
50
50
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70
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74
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78
79
79
CAPITOLO 3
Energia, catalisi e biosintesi
• L’uso dell’energia nella cellula
Condizione dell’ordine biologico è la liberazione
di energia termica da parte della cellula
Gli organismi fotosintetici usano la luce solare
per sintetizzare le molecole organiche
Le cellule ottengono energia ossidando
le molecole organiche
L’ossidazione e la riduzione comportano
trasferimenti di elettroni
82
82
84
86
87
VIII
Indice
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• Energia libera e catalisi
88
Gli enzimi abbassano la barriera energetica
che impedisce alle reazioni chimiche di avvenire
89
La possibilità che una reazione avvenga dipende
dalla sua variazione di energia libera
91
La concentrazione dei reagenti influenza
la variazione di energia libera e la direzione
di una reazione
91
La variazione di energia libera standard permette
di confrontare l’energetica di reazioni diverse
92
La cellula si trova in un stato di disequilibrio
chimico
92
La costante di equilibrio è direttamente
proporzionale a ⌬G°
93
䊏 TAVOLA 3.1 Energia libera e reazioni biologiche
94
Nelle reazioni complesse la costante di equilibrio
dipende dalle concentrazioni di tutti i reagenti
e di tutti i prodotti
96
La costante di equilibrio indica la forza delle interazioni
molecolari
96
Per le reazioni sequenziali le variazioni di energia libera
sono additive
97
Gli enzimi incontrano i loro substrati grazie alla rapidità
della diffusione
98
Vmax e KM misurano l’efficienza enzimatica
99
FARE PER SAPERE La cinetica: come costruire modelli
delle vie metaboliche e modificarne il corso
101
• Trasportatori (carrier) attivati e biosintesi 104
La formazione di un trasportatore attivato
è accoppiata ad una reazione favorita
energeticamente
104
L’ATP è il trasportatore attivato più in uso nella cellula 105
L’energia accumulata nell’ATP viene spesso convogliata
nel legame tra due molecole
106
NADH e NADPH sono trasportatori di elettroni
di notevole importanza
107
Le cellule si avvalgono di molte altre molecole
trasportatore attivate
109
La sintesi di polimeri biologici richiede un apporto
energetico
110
Concetti essenziali
114
Parole chiave
115
Quesiti
115
Le strutture biologiche assumono facilmente forma
elicoidale
Molte proteine hanno un nucleo rigido formato
da foglietti 
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
CAPITOLO 4
Struttura e funzione delle proteine
• Come si studiano le proteine
䊏
4.1 Alcuni esempi di funzioni generali
caratteristiche delle proteine
TAVOLA
• Forma e struttura delle proteine
La forma di una proteina deriva dalla sua sequenza
amminoacidica
Le proteine si dispongono nella conformazione
di energia minima
Esistono proteine di tante svariate forme, tutte
molto complesse
L’elica α e il foglietto  sono disposizioni spaziali
ricorrenti
䊏 TAVOLA 4.2 Quattro modelli diversi per
rappresentare SH2, un dominio proteico
di piccole dimensioni
118
119
119
122
123
125
126
• Come funzionano le proteine
Tutte le proteine legano altre molecole
I siti di legame degli anticorpi sono particolarmente
versatili
Gli enzimi sono catalizzatori potenti ed estremamente
specifici
Il lisozima mostra come funziona un catalizzatore
enzimatico
䊏 TAVOLA 4.3 Preparazione e uso di anticorpi
La maggior parte dei farmaci inibisce gli enzimi
Il legame stretto con piccole molecole speciali
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 più siti di legame
capaci di interagire tra loro
La fosforilazione può controllare l’attività
di una proteina inducendo un cambiamento
conformazionale
Anche le proteine che si legano 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
Modificazioni covalenti controllano
il posizionamento e l’assemblaggio
delle macchine proteiche
Come sondare la struttura
delle proteine
Le cellule si possono far crescere in una piastra
di coltura
Purificando gli omogenati di cellule si possono
ottenere preparazioni omogenee di proteine
Le tecniche di ingegneria genetica consentono
quasi sempre di ottenere qualsiasi
proteina in grande quantità
Il passo delle scoperte accelera applicando
l’automazione agli studi sulla struttura
e sulla funzione delle proteine
䊏 TAVOLA 4.4 Rottura delle cellule e frazionamento
iniziale di estratti cellulari
䊏 TAVOLA 4.5 Separazione di proteine
per cromatografia
129
130
131
132
133
133
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136
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138
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155
FARE PER SAPERE
156
159
159
160
161
162
164
Indice
© 978-88-08-06221-5
䊏
4.6 Separazione di proteine
per elettroforesi
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
TAVOLA
165
166
167
167
CAPITOLO 5
DNA e cromosomi
• Struttura e funzione del DNA
Una molecola di DNA consiste di due catene
complementari di nucleotidi
FARE PER SAPERE 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 numerosi
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 nel volume nucleare
Il DNA cromosomico è fortemente condensato
I nucleosomi sono le unità base della struttura
cromosomica negli eucarioti
La compressione del DNA dei cromosomi avviene
a più livelli
170
• La ricombinazione omologa
171
172
176
177
177
179
180
182
182
183
185
186
L’accoppiamento delle basi consente la replicazione
del DNA
La sintesi del DNA parte dalle origini
di replicazione
FARE PER SAPERE Qual è la natura della replicazione?
La sintesi di nuovo DNA avviene a livello
delle forcelle replicative
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 formando una macchina copiatrice
La telomerasi replica le estremità dei cromosomi
eucariotici
• La riparazione del DNA
Gli elementi genetici mobili codificano
le molecole di cui hanno bisogno per spostarsi
Le sequenze trasponibili del genoma umano
sono classificabili in due famiglie principali
I virus sono elementi genetici a mobilità
completa, capaci anche di uscire dalla cellula
Nei retrovirus l’informazione genetica fluisce
in direzione opposta a quella consueta
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
209
210
211
213
214
215
216
216
216
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226
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190
191
191
CAPITOLO 6
Replicazione, riparazione
e ricombinazione del DNA
• La replicazione del DNA
Per la ricombinazione omologa servono analogie
di sequenza che interessino lunghi tratti
di DNA
La ricombinazione omologa riesce a riparare
senza introdurre errori le rotture su doppio
filamento del DNA
Lo scambio di informazione genetica durante
la meiosi è dovuto alla ricombinazione omologa
• Elementi genetici mobili e virus
• La regolazione della struttura cromosomica 186
Opportune variazioni della struttura
nucleosomica consentono l’accesso al DNA
I cromosomi interfasici contengono cromatina
a vari gradi di condensazione e distensione
Le variazioni della struttura cromatinica sono
ereditabili
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
Le mutazioni possono compromettere
una cellula o un organismo in modo grave
Un sistema di riparazione che rimuove gli appaiamenti
scorretti elimina gli errori di copiatura sfuggiti alla
macchina replicativa
Il DNA cellulare viene danneggiato di continuo
La stabilità dei geni dipende dalla riparazione del DNA
Le rotture su doppio filamento sono riparabili
in tempi rapidi ma in modo inaccurato
Le sequenze genomiche serbano memoria
della fedeltà con cui si replica e si ripara il DNA
IX
196
196
197
198
201
202
203
204
206
208
209
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 diversi tipi di RNA
Appositi segnali sul DNA indicano alla
RNA polimerasi dove cominciare e dove finire
Nei geni eucariotici l’inizio della trascrizione
è un processo complesso
La RNA polimerasi eucariotica richiede i fattori
generali di trascrizione
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
230
231
232
234
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238
240
241
242
243
243
X
Indice
• Dall’RNA alle proteine
La sequenza dell’mRNA viene decodificata
a gruppi di tre nucleotidi
FARE PER SAPERE Come è stato decifrato il codice
genetico
Le molecole di tRNA abbinano gli amminoacidi
ai codoni dell’mRNA
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
deve 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
• L’RNA e le origini della vita
L’autocatalisi è necessaria 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
© 978-88-08-06221-5
244
245
246
248
249
• I controlli post-trascrizionali
250
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255
255
256
257
258
259
259
260
262
263
263
• L’origine della variazione genetica
274
• Ricostruire l’albero genealogico
della vita
268
• Come funzionano gli interruttori
trascrizionali
269
266
266
268
269
271
272
275
• I meccanismi molecolari che danno
origine a tipi cellulari specializzati
276
I geni eucariotici sono regolati da combinazioni
di proteine
276
277
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281
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285
285
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286
287
288
289
290
291
CAPITOLO 9
Come si evolvono i geni e i genomi
273
266
In un organismo pluricellulare i diversi tipi
di cellula contengono lo stesso DNA
Tipi cellulari diversi producono insiemi differenti
di proteine
Una cellula può modificare l’espressione
dei suoi geni in risposta a segnali esterni
L’espressione genica può essere regolata
in diversi punti nel percorso che porta
dal DNA all’RNA e infine alle proteine
La trascrizione è controllata da proteine capaci
di legarsi a sequenze che regolano il DNA
Gli interruttori trascrizionali consentono alle cellule
di rispondere ai cambiamenti ambientali
I repressori spengono i geni, gli attivatori li accendono
Un attivatore e un repressore controllano
l’operone lac
Negli eucarioti i regolatori della trascrizione
controllano a distanza l’espressione genica
Il DNA del promotore è organizzato in nucleosomi
e questo influenza l’inizio della trascrizione
I ribointerruttori offrono una soluzione economica
per la regolazione genica
Gli mRNA possono controllare la propria traduzione
tramite le regioni non tradotte
Piccoli RNA regolatori controllano l’espressione
di migliaia di geni negli animali e nelle piante
L’interferenza da RNA distrugge l’RNA estraneo
a doppio filamento
L’interferenza da RNA può servire agli scienziati
per disattivare i geni
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
Negli organismi che si riproducono sessualmente
vengono trasmesse alla progenie solo
le variazioni che interessano la linea germinale
Le mutazioni puntiformi sono causate da
malfunzionamento dei normali meccanismi
di copiatura e manutenzione del DNA
Le mutazioni puntiformi possono modificare
la regolazione di un gene
Le duplicazioni del DNA danno origine a famiglie
di geni affini
L’evoluzione della famiglia dei geni globinici mostra
come la duplicazione genica e la divergenza
possano dare luogo a proteine fatte su misura
per un organismo e per i suoi stadi di sviluppo
Eventi di duplicazione dell’intero genoma hanno
inciso profondamente sulla storia evolutiva
di molte specie
Dalla ripetizione dello stesso esone possono
nascere nuovi geni
Nuovi geni possono essere creati anche
dal rimescolamento degli esoni
Gli spostamenti degli elementi genetici mobili
hanno accelerato l’evoluzione dei genomi
Il trasferimento genico orizzontale permette
lo scambio di geni tra gli organismi
CAPITOLO 8
Il controllo dell’espressione genica
• Una panoramica sull’espressione genica
Una sola proteina può coordinare l’espressione
di più geni diversi
FARE PER SAPERE La regolazione genica: la storia di eve
Il controllo combinatorio può promuovere
il differenziamento cellulare
Le cellule figlie possono ereditare quadri
di espressione genica stabili
La formazione di un intero organo può essere
innescata da un solo regolatore della trascrizione
Le variazioni genetiche che comportano
un vantaggio selettivo hanno una maggior
probabilità di essere conservate
Il genoma dell’uomo e quello dello scimpanzé
sono simili sia nell’organizzazione sia
nella sequenza nucleotidica
294
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302
302
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305
305
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Indice
© 978-88-08-06221-5
Le regioni indispensabili dal punto di vista
funzionale emergono come isole di sequenze
di DNA conservato
Dal confronto dei genomi risulta che i vertebrati
acquisiscono e perdono rapidamente DNA
La conservazione delle sequenze permette
di ricostruire anche le parentele evolutive
più lontane
• L’analisi del genoma umano
La sequenza nucleotidica del genoma umano
mostra come sono disposti i nostri geni
FARE PER SAPERE Come contare i geni
Per scoprire che cosa ci rende umani si punta
sulle sequenze genomiche conservate
che hanno subito i cambiamenti più rapidi
La variazione genetica presente nel genoma
umano contribuisce alla nostra individualità
Il genoma umano contiene ancora molte
informazioni da decifrare
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
306
308
310
311
La DNA ligasi unisce frammenti di DNA producendo
una molecola di DNA ricombinante
Il DNA ricombinante può essere copiato nelle cellule
batteriche
Per clonare il DNA si usano vettori plasmidici
specializzati
I geni si possono isolare da una genoteca di DNA
Le genoteche di cDNA rappresentano l’mRNA
prodotto da un particolare tessuto
La reazione polimerasica a catena amplifica
le sequenze di DNA prescelte
• Decifrare e sfruttare l’informazione
genetica
Come si sequenzia rapidamente il DNA
Si possono costruire molecole di DNA completamente
nuove
Utilizzando DNA clonato è possibile produrre
le proteine rare in grandi quantità
FARE PER SAPERE Come sequenziare il genoma umano
I geni reporter e l’ibridazione in situ possono
rivelare quando e dove un gene viene espresso
L’ibridazione su microarray a DNA consente
di monitorare l’espressione di migliaia
di geni contemporaneamente
352
353
354
355
356
CAPITOLO 11
La struttura delle membrane
316
• Il doppio strato lipidico
316
317
319
320
320
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 si conserva durante
il trasferimento delle membrane
• Le proteine di membrana
• Manipolare e analizzare le molecole di DNA 325
• Clonare il DNA
349
349
312
314
CAPITOLO 10
Analizzare geni e genomi
Le nucleasi di restrizione tagliano le molecole di DNA
in siti specifici
L’elettroforesi su gel separa frammenti di DNA
di dimensioni diverse
L’ibridazione è una tecnica molto sensibile adatta
a rivelare sequenze specifiche di nucleotidi
L’ibridazione viene condotta utilizzando delle sonde
di DNA costruite in modo da riconoscere
la sequenza nucleotidica desiderata
Come rivelare la funzione di un gene con l’approccio
genetico
Gli animali possono essere modificati geneticamente
L’interferenza a RNA offre un modo semplice
per fare un test di funzione genica
Le piante transgeniche sono importanti
sia per la biologia cellulare sia per l’agricoltura
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
XI
325
326
328
328
329
330
330
Le proteine di membrana si associano in vari
modi al doppio strato lipidico
Le catene polipeptidiche generalmente
attraversano il doppio strato lipidico
sotto forma di eliche α
Le proteine di membrana possono essere
solubilizzate con detergenti e poi purificate
Conosciamo la struttura completa di un numero
relativamente piccolo di proteine di membrana
La membrana plasmatica è rinforzata dal cortex cellulare
Le cellule possono limitare lo spostamento
di proteine della membrana
La superficie della cellula è rivestita di carboidrati
FARE PER SAPERE Come si misura un flusso attraverso
la membrana
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
361
361
364
365
367
367
368
369
370
371
372
374
375
377
378
380
381
381
331
332
334
CAPITOLO 12
Il trasporto di membrana
336
• I principi del trasporto di membrana
339
341
343
343
344
Le concentrazioni ioniche interne alla cellula
differiscono notevolmente da quelle esterne
I doppi strati lipidici sono in sé impermeabili a vari
soluti e agli ioni
Ci sono due classi di proteine di trasporto
della membrana: i trasportatori e i canali
I soluti attraversano la membrana per trasporto attivo
o passivo
• I trasportatori e le loro funzioni
346
348
Il trasporto passivo è alimentato da gradienti
di concentrazione e da forze elettriche
Il trasporto attivo sposta i soluti contro il loro
gradiente elettrochimico
384
384
385
385
386
387
388
389
XII
Indice
Le cellule animali utilizzano l’energia sprigionata
dall’idrolisi dell’ATP per espellere l’Na+
La pompa Na+-K+ opera legando transitoriamente
un gruppo fosfato
La pompa Na+-K+ concorre al mantenimento
dell’equilibrio osmotico nelle cellule animali
La concentrazione intracellulare del Ca2+
è mantenuta bassa da pompe per il calcio
I trasportatori accoppiati sfruttano un gradiente
per assumere attivamente sostanze nutritive
Nelle piante, nei funghi e nei batteri i gradienti
di H+ servono ad alimentare il trasporto
di membrana
© 978-88-08-06221-5
390
390
392
393
394
• La regolazione del metabolismo
396
• I canali ionici e il potenziale di membrana 396
I canali ionici sono selettivi e possono aprirsi e chiudersi
I canali ionici oscillano imprevedibilmente tra stato
aperto e chiuso
L’apertura e la chiusura dei canali ionici sono
influenzate da stimoli di vario tipo
I canali ionici controllati dal potenziale rispondono
a variazioni del potenziale di membrana
Il potenziale di membrana dipende dalla permeabilità
della membrana a specifici ioni
• I canali ionici e la segnalazione
nelle cellule nervose
I potenziali d’azione permettono una comunicazione
rapida su grandi distanze
I potenziali d’azione si devono di solito all’attività
di canali per l’Na+ controllati dal potenziale
FARE PER SAPERE Dal calamaro i segreti dell’eccitabilità
della membrana
Nelle terminazioni nervose l’azione di canali per il Ca2+
controllati dal potenziale converte segnali elettrici
in segnali chimici
Nelle cellule bersaglio ci sono canali controllati
dal neurotrasmettitore che riconvertono
i segnali chimici in segnali elettrici
I neuroni ricevono stimoli sia eccitatori sia inibitori
I canali controllati da trasmettitori sono i bersagli
più importanti dei farmaci psicoattivi
Le connessioni sinaptiche rendono possibili
il pensiero, l’azione e la memoria
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
397
399
401
402
Le molecole nutritive vengono demolite in tre
passaggi
La glicolisi è una via fondamentale per la produzione
di ATP
䊏 TAVOLA 13.1 I dettagli dei dieci stadi della glicolisi
Durante la fermentazione viene prodotto ATP
in assenza di ossigeno
La glicolisi esemplifica il modo in cui gli enzimi possono
accoppiare l’ossidazione alla captazione dell’energia
Le reazioni cataboliche e anaboliche sono organizzate
e regolate
Il controllo a retroazione permette alle cellule
di passare dalla degradazione del glucosio
alla sua biosintesi
Le cellule conservano le molecole nutritive in speciali
depositi in previsione dei momenti di necessità
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
432
432
436
438
440
440
441
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447
403
405
405
CAPITOLO 14
La produzione di energia
nei mitocondri e nei cloroplasti
406
Le cellule si procurano la maggior parte dell’energia
attraverso un processo basato sulle membrane
408
• I mitocondri e la fosforilazione ossidativa 452
450
Un mitocondrio ha una membrana esterna,
una interna e due compartimenti interni
Il ciclo dell’acido citrico genera elettroni ad alta energia
Un processo chemiosmotico converte in ATP
l’energia delle molecole di trasporto attivate
La catena di trasporto degli elettroni pompa
i protoni da un lato all’altro della membrana
mitocondriale interna
La pompa protonica crea un ripido gradiente
elettrochimico di protoni tra un lato e l’altro
della membrana mitocondriale interna
Il gradiente elettrochimico di protoni alimenta
la sintesi di ATP
Il trasporto accoppiato attraverso la membrana
mitocondriale interna è alimentato anche
dal gradiente elettrochimico dei protoni
La fosforilazione ossidativa produce la maggior
parte dell’ATP cellulare
La conversione rapida dell’ADP in ATP a livello
dei mitocondri mantiene alto il rapporto
ATP/ADP nelle cellule
461
422
• I meccanismi molecolari del trasporto
degli elettroni e delle pompe protoniche
462
422
Il trasferimento degli elettroni sposta facilmente
i protoni
Il potenziale redox è una misura dell’affinità elettronica
FARE PER SAPERE Come l’accoppiamento
chemiosmotico determina la sintesi di ATP
䊏 TAVOLA 14.1 I potenziali redox
Il trasferimento di elettroni libera grandi quantità
di energia
411
412
413
414
415
416
418
418
CAPITOLO 13
Come le cellule traggono energia
dal cibo
• La demolizione e l’utilizzo degli zuccheri
e dei grassi
Gli zuccheri e i grassi vengono entrambi
degradati ad acetil CoA nei mitocondri
Il ciclo dell’acido citrico produce NADH attraverso
l’ossidazione dei gruppi acetile a CO2
FARE PER SAPERE Come si arrivò a far luce sul ciclo
dell’acido citrico
䊏 TAVOLA 13.2 Ciclo completo dell’acido citrico
Molte vie biosintetiche partono dalla glicolisi
o dal ciclo dell’acido citrico
In quasi tutte le cellule il trasporto degli elettroni
alimenta la sintesi della maggior parte dell’ATP
423
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466
467
Indice
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Alcuni metalli, se legati strettamente alle proteine,
diventano trasportatori versatili di elettroni
La citocromo ossidasi catalizza la riduzione
dell’ossigeno molecolare
Il meccanismo di traslocazione dei protoni può
essere studiato a livello atomico
La respirazione ha un’efficienza straordinaria
• I cloroplasti e la fotosintesi
I cloroplasti somigliano ai mitocondri ma hanno
un compartimento in più
I cloroplasti catturano energia dalla luce solare
e la impiegano per fissare il carbonio
La radiazione solare viene assorbita dalle molecole
di clorofilla
Le molecole di clorofilla eccitate convogliano l’energia
in un centro di reazione
L’energia luminosa alimenta la sintesi di ATP
e di NADPH
I cloroplasti possono regolare la produzione di ATP
La fissazione del carbonio utilizza ATP e NADPH
per convertire il CO2 in zuccheri
Gli zuccheri prodotti dalla fissazione del carbonio
vengono accumulati sotto forma di amido
o consumati per sintetizzare ATP
• L’origine dei cloroplasti e dei mitocondri
La fosforilazione ossidativa potrebbe aver conferito
agli antichi batteri un vantaggio evolutivo
I batteri fotosintetici si resero ancora più
indipendenti dalle risorse ambientali
Il regime metabolico di Methanococcus indica
che l’accoppiamento chemiosmotico ha origini
molto antiche
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
467
469
470
471
472
473
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482
484
484
486
487
488
488
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
Sono tre i meccanismi con i quali gli organelli
possono importare le proteine
Le sequenze segnale indirizzano le proteine
al giusto compartimento
Le proteine entrano nel nucleo passando per i pori
nucleari
Per entrare nei mitocondri e nei cloroplasti le proteine
devono svolgersi
Le proteine entrano nel reticolo endoplasmatico
durante la loro sintesi
Le proteine solubili si liberano nel lume dell’RE
I segnali di avvio e di arresto determinano
la disposizione di una proteina transmembrana
nel doppio strato lipidico
• Il trasporto vescicolare
• Le vie di secrezione
La maggior parte delle proteine subisce modificazioni
covalenti a livello dell’RE
La qualità delle proteine è assicurata da controlli
in uscita dall’RE
Le dimensioni dell’RE dipendono dalla quantità
di proteine che attraversa l’organello
Nell’apparato di Golgi le proteine sono ulteriormente
modificate e poi smistate
Le proteine secrete si liberano dalla cellula per esocitosi
FARE PER SAPERE Come seguire il trasporto di proteine
e vescicole
• 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’ingresso specifica nella cellula animale
Le macromolecole introdotte per endocitosi
vengono smistate dagli endosomi
I lisosomi sono le sedi principali della digestione
Intracellulare
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
492
492
494
496
496
497
498
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525
525
CAPITOLO 16
La comunicazione cellulare
• I principi generali della segnalazione
cellulare
CAPITOLO 15
Compartimenti intracellulari
e trasporto
• Gli organelli delimitati da membrana
Le vescicole di trasporto portano proteine solubili
e membrane da un compartimento all’altro
La gemmazione di vescicole dipende dalla
formazione di un rivestimento proteico
L’attracco delle vescicole dipende da proteine
laccio e da SNARE
XIII
I segnali possono esercitare la loro azione a breve
o largo raggio
Ogni cellula risponde a un ventaglio ristretto di segnali,
a seconda della sua storia pregressa e dello stato
in cui si trova
La risposta di una cellula può essere rapida o lenta
Alcuni ormoni attraversano la membrana
plasmatica e si legano a recettori intracellulari
Alcuni gas attraversano la membrana e attivano
enzimi intracellulari per via diretta
I recettori di superficie ritrasmettono il segnale
extracellulare tramite apposite vie intracellulari
Alcune proteine segnalatrici intracellulari
funzionano come interruttori molecolari
Ci sono tre classi principali di recettori
della superficie cellulare
I recettori accoppiati a canali ionici trasformano
segnali chimici in segnali elettrici
• Recettori accoppiati a proteine G
528
528
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532
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536
537
538
540
540
La stimolazione dei recettori accoppiati
a proteine G attiva le subunità delle proteine G
541
Alcune proteine G regolano direttamente dei canali
ionici
543
Alcune proteine G attivano enzimi legati alla membrana 543
XIV
Indice
La via dell’AMP ciclico può attivare enzimi
e accendere geni
La via dell’inositolo innesca un aumento della
concentrazione intracellulare del Ca2+
Il Ca2+ è un segnale che innesca molti processi biologici
La trasmissione a cascata dei segnali all’interno
delle cellule può raggiungere velocità, sensibilità
e capacità di adattamento impressionanti
• Recettori accoppiati a enzimi
Sugli RTK attivati si aggregano complessi di proteine
segnalatrici intracellulari
Moltissimi recettori-tirosina chinasi attivano
una proteina G monomerica detta Ras
Gli RTK stimolano la PI 3-chinasi a generare siti
di attracco lipidici nella membrana plasmatica
Alcuni recettori attivano una corsia preferenziale
rapida diretta al nucleo
FARE PER SAPERE Il difficile compito di identificare
le vie di segnalazione intracellulari
La pluricellularità e la comunicazione tra cellule
si sono evolute indipendentemente nelle piante
e negli animali
Le reti di segnalazione basate su proteina chinasi
integrano l’informazione che controlla
comportamenti cellulari complessi
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
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545
547
548
550
551
551
Molte proteine si legano all’actina e ne modificano
le proprietà
Nella maggior parte delle cellule eucariotiche
la regione sotto la membrana plasmatica
è ricca di actina
Lo spostamento strisciante delle cellule dipende
dall’actina
L’actina si associa con la miosina a formare strutture
contrattili
Segnali extracellulari modificano la disposizione
dei filamenti di actina
• La contrazione muscolare
553
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560
561
563
565
565
La contrazione muscolare si deve a fasci di actina
e miosina
Durante la contrazione muscolare i filamenti di actina
scorrono contro quelli di miosina
La contrazione muscolare si innesca per un improvviso
aumento della concentrazione di ioni Ca2+
Nei vertebrati le diverse cellule muscolari sono
specializzate in funzioni differenti
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
• I filamenti intermedi
䊏
17.1 I tre tipi principali di componenti
del citoscheletro
I filamenti intermedi sono robusti e simili a corde
I filamenti intermedi rendono la cellula più
resistente alle sollecitazioni meccaniche
L’involucro nucleare è sostenuto da un reticolato
di filamenti intermedi
568
TAVOLA
• I microtubuli
I microtubuli sono cilindri cavi con estremità
strutturalmente diverse
Il centrosoma è il principale centro organizzatore
dei microtubuli nelle cellule animali
I microtubuli in allungamento mostrano
un’instabilità dinamica
I microtubuli si mantengono grazie
a un equilibrio tra polimerizzazione
e depolimerizzazione
I microtubuli organizzano il citoplasma
Le proteine motrici effettuano un trasporto
intracellulare orientato
Gli organelli si spostano lungo i microtubuli
Le ciglia e i flagelli contengono microtubuli
stabili azionati dalla dineina
FARE PER SAPERE A caccia di proteine motrici
• I filamenti di actina
I filamenti di actina sono sottili e flessibili
Actina e tubulina polimerizzano
con un meccanismo simile
569
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596
599
600
601
602
602
CAPITOLO 18
Il ciclo di divisione delle cellule
• Generalità sul ciclo cellulare
CAPITOLO 17
Il citoscheletro
589
606
Il ciclo cellulare degli eucarioti comprende quattro fasi 607
I processi più importanti del ciclo cellulare vengono
avviati da un apposito sistema di controllo
608
Il controllo del ciclo cellulare è simile in tutti
gli eucarioti
609
• Il sistema di controllo del ciclo cellulare
609
Il sistema di controllo del ciclo cellulare si basa sulle
Cdk, proteina chinasi che si attivano ciclicamente
610
Anche l’attività delle Cdk è regolata da fosforilazione
e defosforilazione
610
FARE PER SAPERE La scoperta delle cicline e delle Cdk
611
I vari complessi ciclina-Cdk avviano tappe diverse
del ciclo cellulare
613
Il sistema di controllo del ciclo cellulare dipende
anche da una proteolisi ciclica
614
Il ciclo cellulare può essere arrestato in punti
di controllo ben precisi da proteine che inibiscono
le Cdk
614
• La fase S
616
Il complesso S-Cdk dà avvio alla replicazione del DNA
e contribuisce ad impedire una seconda
replicazione
616
Le coesine servono a tenere uniti i due cromatidi
fratelli di ciascun cromosoma
617
I punti di controllo del danno al DNA servono
a impedire la replicazione di DNA danneggiato
617
• La fase M
618
Il complesso M-Cdk induce l’ingresso della cellula
nella fase M e la mitosi
619
Le condensine contribuiscono a configurare
i cromosomi duplicati per la separazione
619
Il citoscheletro effettua sia la mitosi sia la citochinesi
620
Per descrivere la fase M si è soliti distinguere sei stadi 620
Indice
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• La mitosi
I centrosomi si duplicano contribuendo alla
formazione di due poli del fuso mitotico
䊏 TAVOLA 18.1 Le principali fasi della divisione
delle cellule animali
Il fuso mitotico comincia ad assemblarsi durante
la profase
I cromosomi si attaccano al fuso mitotico durante
la prometafase
I cromosomi contribuiscono alla formazione del fuso
mitotico
Nella metafase i cromosomi si trovano allineati
all’equatore del fuso
La separazione dei cromatidi fratelli
e il completamento della mitosi sono
innescati da una proteolisi
I cromosomi si segregano durante l’anafase
I cromosomi non collegati al fuso bloccano
la separazione dei cromatidi fratelli
L’involucro nucleare si riforma durante la telofase
• La citochinesi
Il fuso mitotico determina il piano di scissione
del citoplasma
L’anello contrattile delle cellule animali
è composto di actina e miosina
La citochinesi delle cellule vegetali comporta
la formazione di una nuova parete cellulare
Quando una cellula si divide gli organelli
delimitati da membrana devono essere
distribuiti alle cellule figlie
• Il controllo della quantità e delle
dimensioni delle cellule
L’apoptosi contribuisce a regolare il numero
di cellule degli animali
L’apoptosi è mediata da una cascata
proteolitica intracellulare
La morte programmata è sotto il controllo
delle proteine intracellulari della famiglia Bcl2
Le cellule animali necessitano di segnali extracellulari
per restare vive, accrescersi e dividersi
Le cellule animali hanno bisogno di fattori
di sopravvivenza per evitare l’apoptosi
I mitogeni stimolano la divisione cellulare
I fattori di crescita stimolano la crescita cellulare
Alcune proteine segnale extracellulari inibiscono
la sopravvivenza, la divisione e la crescita delle cellule
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
621
621
622
624
624
626
626
• Mendel e le leggi dell’eredità
627
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630
631
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633
634
634
635
Nella riproduzione sessuale sono coinvolte
sia cellule diploidi che cellule aploidi
La riproduzione sessuale offre agli organismi
un vantaggio competitivo
Mendel decise di studiare caratteri che si trasmettono
in categorie discrete
Mendel riuscì a smentire teorie alternative dell’eredità
Gli esperimenti di Mendel rivelarono che l’eredità
si basa su fattori ereditati individualmente
Ogni gamete porta un solo allele per ciascun carattere
La legge mendeliana della segregazione si applica
a tutti gli organismi che si riproducono
per via sessuale
Gli alleli di caratteri diversi segregano
indipendentemente
Dietro le leggi mendeliane dell’eredità c’è
il comportamento dei cromosomi alla meiosi
La ricombinazione può servire a stabilire l’ordine
dei geni sui cromosomi
Le mutazioni dei geni possono provocare una perdita
o un acquisto di funzione
Ogni individuo è portatore di molti alleli mutanti
recessivi potenzialmente dannosi
䊏 TAVOLA 19.1 Qualche concetto base della genetica
classica
652
654
654
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669
670
• La genetica come strumento sperimentale 671
636
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641
642
644
645
CAPITOLO 19
Sesso e genetica
• I vantaggi del sesso
La meiosi comporta uno speciale processo
di appaiamento dei cromosomi
Tra i cromosomi materni e paterni può avvenire
una ricombinazione
L’appaiamento e la ricombinazione dei cromosomi
garantiscono una corretta segregazione
degli omologhi
La seconda divisione meiotica produce cellule
figlie aploidi
Le cellule aploidi contengono un’informazione
genetica riassortita
La meiosi non è immune da errori
Con la fecondazione si ricostituisce un genoma
diploide completo
XV
648
648
• La meiosi e la fecondazione
650
651
Le cellule germinali aploidi derivano dalla meiosi
di cellule diploidi
652
La prima tappa dell’approccio classico è la mutagenesi
casuale
Con lo screening genetico si identificano mutanti
con carenze in specifici processi cellulari
Il test di complementazione permette di capire
se due mutazioni colpiscono uno stesso gene
I polimorfismi di nucleotide singolo (SNP) servono
da riferimenti per la mappatura dei geni
FARE PER SAPERE L’uso di SNP nella comprensione
delle malattie genetiche umane
Gruppi di SNP associati formano blocchi aplotipici
I blocchi aplotipici forniscono indizi circa la nostra
storia evolutiva
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
671
672
673
674
676
678
679
680
681
682
CAPITOLO 20
Comunità di cellule: tessuti, cellule
staminali e cancro
• La matrice extracellulare e i tessuti
connettivi
Le cellule vegetali hanno robuste pareti esterne
686
687
XVI
Indice
La resistenza alla trazione della parete delle cellule
vegetali è dovuta a microfibrille di cellulosa
I tessuti connettivi animali consistono in gran parte
di matrice extracellulare
Al collagene si deve la resistenza alla trazione
dei tessuti connettivi animali
Le cellule conferiscono un’organizzazione
al collagene che secernono
Le integrine connettono la matrice extracellulare
con il citoscheletro interno alla cellula
Gel composti da polisaccaridi e proteine riempiono
gli spazi vuoti e conferiscono resistenza
alla compressione
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688
689
• Il cancro
690
692
692
694
• I foglietti epiteliali e le giunzioni cellulari 696
I foglietti epiteliali hanno una polarità
e poggiano su una lamina basale
Le giunzioni strette sigillano l’epitelio impedendo
le perdite e separano il lato apicale dal lato basale
Le cellule sono unite tra loro e alla lamina basale
da robuste giunzioni collegate al citoscheletro
Le giunzioni comunicanti permettono il passaggio
di ioni e piccole molecole da una cellula
all’altra
• Il mantenimento e il rinnovamento
dei tessuti
I tessuti sono insiemi organizzati di cellule di vario tipo
Ogni tessuto si rinnova con un ritmo suo proprio
Le cellule staminali riforniscono continuamente
l’organismo di cellule completamente differenziate
Le popolazioni di cellule staminali sono
mantenute da specifici segnali
Le cellule staminali possono servire a riparare
tessuti danneggiati
La clonazione terapeutica permette di generare
cellule staminali embrionali personalizzate
697
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705
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707
709
Le cellule cancerose proliferano, invadono
e metastatizzano
L’epidemiologia permette di identificare cause
del cancro e realizzare forme di prevenzione
Il cancro si sviluppa in seguito all’accumulo
di mutazioni
Le cellule cancerose sviluppano proprietà
che le avvantaggiano nella competizione
con le cellule sane
Ci sono molti tipi di geni critici per lo sviluppo
del cancro
Il cancro colorettale esemplifica il caso dei tumori
legati alla perdita di un gene
FARE PER SAPERE Come comprendere i geni cruciali
per il cancro
La comprensione della biologia cellulare del cancro
apre la strada a nuove terapie
Concetti essenziali
Parole chiave
Quesiti
Risposte ai quesiti
Glossario
Indice analitico
710
711
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813
