alberts_ecb_VII_XVI_def:Alberts_ecb_indice_def, page 6 @ Preflight
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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 51 52 54 55 56 58 59 59 60 62 64 66 68 70 72 74 76 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 © 978-88-08-06221-5 • 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 129 130 131 132 133 133 134 136 136 138 138 140 141 141 142 146 146 148 148 149 150 151 152 153 154 155 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 209 210 211 213 214 215 216 216 216 218 218 219 220 222 223 225 226 226 188 189 190 191 191 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 230 231 232 234 235 236 237 238 240 241 242 243 243 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 250 252 253 255 255 256 257 258 259 259 260 262 263 263 • 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 276 277 278 281 283 284 285 285 286 286 287 288 289 290 291 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 294 295 296 298 299 300 301 302 302 303 304 305 305 306 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 432 432 436 438 440 440 441 442 443 444 446 447 447 403 405 405 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 423 426 428 429 452 454 454 456 456 457 459 460 462 463 464 466 467 Indice © 978-88-08-06221-5 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 467 469 470 471 472 473 474 475 476 477 479 480 482 482 484 484 486 487 488 488 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 492 492 494 496 496 497 498 501 501 502 504 505 506 507 509 510 510 512 512 513 514 516 518 518 519 520 521 522 523 525 525 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 528 528 530 532 533 535 536 537 538 540 540 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 © 978-88-08-06221-5 545 547 548 550 551 551 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 553 554 555 556 560 561 563 565 565 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 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 586 587 588 590 590 593 594 595 595 596 599 600 601 602 602 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 © 978-88-08-06221-5 • 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 627 627 629 629 630 630 631 633 633 634 634 635 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 652 654 654 655 657 658 659 660 661 661 662 663 664 665 667 667 669 669 670 • La genetica come strumento sperimentale 671 636 638 639 639 641 641 642 644 645 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 © 978-88-08-06221-5 688 689 • 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 697 698 699 701 704 705 706 707 709 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 710 711 713 714 714 716 716 718 719 721 723 725 727 727 729 791 813
