Considerando la definizione di introni indicare il rapporto corretto in
ogni gene tra il numero degli esoni e degli introni:
a)
Esoni= introni +1
b)
Esoni=introni
c)
Esoni= introni –1
d)
Esoni= 2 volte gli introni
Descrivete le possibili conseguenze nella traduzione del seguente mRNA
mutato rispetto a quello nativo
5’ UUCCCAAUCACAUAAGUAGCC 3’ RNA mutato
5’ UUCCCAAUCACAUACGUAGCC 3’ RNA nativo
(codoni di stop UAG, UAA, UGA)
La polimerasi I è la polimerasi che trascrive:
1. Tutti gli RNA in procarioti
2. tRNA e 5S ribosomiali in eucarioti
3. Gli snRNA e si trova nel nucleolo
4. Gli rRNA e si trova nel nucleolo
5. Gli hnRNA in eucarioti
RNA-POLIMERASI I
Si trova nel nucleolo
1)
Trascrive un filamento precursore 45S da cui vengono poi ritagliati i tre rRNA: 28S,
18S, 5,8S.
2)
Il DNA contenente i geni per gli rRNA si trova nel nucleolo.
3)
La trascrizione avviene nel nucleolo
4)
Le proteine ribosomiali vengono prodotte nel citoplasma e successivamente rientrano nel
nucleo e quindi nel nucleolo dove si assemblano con i rispettivi rRNA per dare le due
subunità ribosomiali.
1)
La polimerasi I ha bisogno di 2 fattori trascrizionali generali (B ed S) per poter
iniziare la trascrizione che si legano al promotore (da -100/-50 a +20).
RNA-POLIMERASI III
Si trova nel nucleo.
1)
Trascrive i diversi tRNA e l' rRNA 5S (unico ribosomiale non prodotto nel nucleolo
dove poi migrerà).
La polimerasi III ha bisogno di fattori di trascrizione generali per iniziare (A,B,C
per rRNA 5S e B,C per i tRNA).
2)
3)
Le zone regolatrici di attacco dei fattori trascrizionali e RNA-polimerasi non sono a
monte del trascritto ma a valle: Promotori Interni.
RNA-POLIMERASI II
Si trova nel nucleo.
1)
Trascrive RNA primari (hnRNA) che successivamente verranno modificati
(maturazione) per dare mRNA funzionanti.
2)
Per iniziare ha bisogno di fattori trascrizionali generali (D, B, F, E, H).
3)
Tali fattori si legano ad una sequenza del promotore detta TATA BOX (40).
Esistono anche a monte della TATA BOX sequenze ricche di CG e CAAT BOX
.
Biologia 3/118
Le proteine si distinguono in SEMPLICI e CONIUGATE.
Le proteine semplici sono formate solo da catene polipeptidiche, le coniugate
presentano oltre alle catene polipeptidiche gruppi di natura non proteica (es.
zuccheri, lipidi etc…).
FUNZIONI DELLE PROTEINE
Le proteine hanno le più svariate funzioni e la maggior parte di esse ha
funzione enzimatica.
ENZIMI
Sono catalizzatori biologici di tutte le reazioni chimiche che avvengono negli
esseri viventi.
Sono in grado di accelerare reazioni che senza l'enzima avverrebbero a
temperature, a pH e tempi incompatibili con la vita (es. 50 C°, pH 9,
formazione di una molecola ogni ora ).
Gli enzimi sono estremamente specifici in quanto di solito ciascuno di essi
catalizza un solo tipo di reazione.
Esempio aminoacil-sintetasi permette di legare un determinato L-aminoacido al
suo specifico tRNA.
Biologia 3/119
PROTEINE STRUTTURALI
Proteine della membrana cellulare, proteine del citoscheletro (es. actina),
proteine della matrice extracellulare.
PROTEINE DI TRASPORTO
Es. emoglobina che trasporta ossigeno e anidride carbonica.
PROTEINE CONTRATTILI
Proteine che permettono il movimento muscolare.
PROTEINE DI DIFESA
Es. anticorpi che riconoscono e inattivano sostanze estranee dell'organismo
(antigeni).
FATTORI DI CRESCITA E ORMONI
Regolano la crescita, il metabolismo e il differenziamento cellulare.
PROTEINE DI LEGAME O RECETTORI
Legano ormoni o fattori di crescita (interazione funzionale biologica).
TOSSINE
Proteine tossiche che derivano dai processi di degradazione cellulare e che
vengono eliminate nel sangue e nelle urine.
Corso integrato di Biologia e Genetica
-BiologiaBiologia generale:
Composizione chimica e struttura del DNA
Replicazione del DNA: meccanismi molecolari
Meccanismi di riparo del DNA
Trascrizione degli RNA: meccanismi molecolari
RNA messaggero e sua maturazione in eucarioti
RNA ribosomale e ribosomi
Struttura molecolare dei geni per le proteine
Caratteristiche generali del codice genetico
Traduzione: meccanismi molecolari
Proteine: caratteristiche chimico-fisiche e struttura
Facoltà di
Medicina
2005/2006
Biologia Cellulare:
Ciclo cellulare in eucarioti
Facoltà di
Medicina
2005/2006
Proliferazione cellulare e meccanismi di controllo (fattori di crescita,
recettori, oncogeni e oncosoppressori)
Sviluppo e differenziamento in eucarioti pluricellulari e relativi
meccanismi (geni omeotici)
Analogie e differenze tra virus, procarioti ed eucarioti
Biologia 4/120
DIVISIONE CELLULARE
Ogni cellula si riproduce portando avanti una
sequenza ordinata di eventi in cui essa
raddoppia i suoi componenti e poi si divide in
due.
Organismi unicellulari: (es. batteri ) ogni divisione cellulare produce
un intero organismo nuovo.
Organismi pluricellulari: la divisone cellulare riguarda sia le cellule
somatiche che gametiche.
Per le cellule somatiche la divisione cellulare prende il nome di mitosi,
avviene durante lo sviluppo e il differenziamento dell'organismo e per
alcuni tipi cellulari anche durante tutta la vita.
Per le cellule gametiche (cellula uovo e spermatozoo) la divisione
cellulare prende il nome di meiosi.
Biologia 4/121
Biologia 4/122
Cellula Procariotica
La divisione cellulare è rapida
e semplice.
I batteri non hanno un nucleo
e
contengono
un
solo
cromosoma di DNA circolare
attaccato
alla
membrana
plasmatica dove resta mentre
si duplica. I due cromosomi
si
separano
durante
la
crescita
della
cellula.
Quando essa ha raggiunto
dimensioni pressochè doppie,
si
divide
per
scissione
semplice (scissione binaria).
TUTTE LE CELLULE SI RIPRODUCONO
RIPRODUZIONE CELLULARE
UNICELLULARI:
PLURICELLULARI:
Serve unicamente ad aumentare
la numerosità degli individui,
ossia come modalità di
riproduzione dell’organismo
Svolge un ruolo importante
nell’accrescimento e nella
rigenerazione.
LA DIVISIONE CELLULARE
COMPORTA LA DUPLICAZIONE DEL
MATERIALE GENETICO CHE VIENE
TRASMESSO ALLE CELLULE FIGLIE
IN UGUAL QUANTITA’
I PROCARIOTI HANNO UN UNICO CROMOSOMA CIRCOLARE
Biologia 4/123
Cellula Eucariotica
Per gli eucarioti la divisione cellulare è assai più complessa:
il DNA è complessato con proteine e si organizza prima della
divisione in strutture dette cromosomi
il citoplasma contiene un ampio corredo di organelli da distribuire
equamente tra le cellule figlie
La divisione cellulare (mitosi o meiosi) ha luogo quindi mediante una
successione continua di eventi coordinati e sincroni che vengono
chiamati ciclo cellulare.
NEL CICLO VITALE DI UNA CELLULA SI ALTERNA UN PERIODO NEL QUALE
LA CELLULA NON SI DIVIDE (INTERFASE) ED UN PERIODO NEL QUALE LA
CELLULA SI DIVIDE
LA DUPLICAZIONE DI UNA CELLULA EUCARIOTICA
CONTEMPLA LE SEGUENTI FASI:
- LA REPLICAZIONE (= DUPLICAZIONE) DEL MATERIALE
GENETICO ALL’INTERNO DEL NUCLEO
- IL TRASFERIMENTO E LA SEGREGAZIONE DEL MATERIALE
GENETICO ALL’INTERNO DEI DUE NUCLEI FIGLI (= MITOSI)
- LA DIVISIONE DEL CITOPLASMA (= CITODIERESI)
PER TRASMETTERE AD OGNI CELLULA FIGLIA LA STESSA
QUANTITA’ DI INFORMAZIONE GENETICA, NUOVO DNA DEVE
ESSERE SINTETIZZATO
LA REPLICAZIONE DEL DNA AVVIENE DURANTE L’INTERFASE. E’
DEFINITA FASE “S” (SINTESI) IL PERIODO DELL’INTERFASE
DURANTE IL QUALE SI HA LA REPLICAZIONE DEL DNA.
VIENE DEFINITA FASE G1 (DALL’INGLESE “GAP” = INTERVALLO) IL
PERIODO DEL CICLO CELLULARE CHE PRECEDE LA FASE S
VIENE DEFINITA FASE G2 IL PERIODO DEL CICLO CELLULARE CHE
SEGUE LA FASE S
DURANTE LA FASE G1 VENGONO SINTETIZZATI GLI ENZIMI
NECESSARI ALLA REPLICAZIONE DEL DNA
LA FASE G1 DETERMINA LA DURATA DEL CICLO CELLULARE
CELLULE CHE NON SI DIVIDONO RIMANGONO FERME IN G1
DURANTE LA FASE G2 VIENE SINTETIZZATO IL MATERIALE
NECESSARIO ALLA SUCCESSIVA DIVISIONE MITOTICA
UNA CELLULA CHE ENTRA IN G2 E’ DESTINATA A DIVIDERSI
Biologia 4/125
CICLO CELLULARE MITOTICO
Il ciclo cellulare prevede che le cellule
generate da una mitosi inizino e
completino il loro ciclo cellulare con la
successiva mitosi.
Il ciclo cellulare si divide in due
periodi: l'interfase e la fase M.
L'interfase rappresenta l'intervallo tra
una fase M e la successiva e occupa
una ampia parte del ciclo vitale.
L'interfase viene suddivisa in tre stadi
G1, S, G2.
La fase M include la mitosi (divisione
del
materiale
nucleare)
e
la
citochinesi (divisione della cellula).
Biologia 4/126
Le cellule in base alla loro capacità di
dividersi si suddividono in tre categorie:
- cellule in continua divisione cellulare:
cellule che rimangono in ciclo (es.
epidermide)
- cellule stabili: cellule che dopo la
differenziazione escono dal ciclo ed
entrano in una fase quiesciente detta GO
dalla quale possono ritornare in ciclo se
opportunamente stimolate (es. epatociti)
- cellule perenni: cellule che dopo la
differenziazione escono definitivamente
dal ciclo entrando in una fase detta GZ
(es. neuroni).
(Esiste
una correlazione negativa tra
duplicazione e specializzazione ovvero in
generale, più una cellula è specializzata
meno andrà incontro a divisione).
Biologia 4/127
Interfase
La cellula entra dapprima in fase G1
(0-20 h).
Durante la fase G1 la cellula raddoppia
il suo volume, svolge le funzioni a lei
deputate e nella tarda fase G1 replica
i geni responsabili della duplicazione
del DNA.
Fase S (6-8 h): durante la fase S la cellula duplica fedelmente il DNA
e duplica i centrioli.
Dopo la fase S la cellula entra nell'interfase G2 (3-4 h). Durante la
G2 viene reclutata tubulina per il fuso, si sintetizzano e si attivano i
fattori proteici necessari per la mitosi. Il DNA si condensa e si
iniziano ad evidenziare i cromosomi.
Fase M
Tale fase dura 0,5-1h, dopo di che le due cellule che derivano
dall'evento di divisione entrano nello stadio G1 dell'interfase
successiva.
Biologia 4/128
Tutto il ciclo dura al massimo 30 h. La durata del ciclo dipende dal
tipo di cellule e dalle funzioni che questa cellula deve svolgere.
Le fasi S, G2 ,M, hanno tempi più costanti, differenti per diversi
tipi cellulari; la fase G1 è la più variabile e dipende da
condizionamenti esterni e in particolare da stimoli necessari per il
proseguimento in fase
Biologia 4/129
REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE
Per
il
ciclo
cellulare
vale
il
concetto
dell'unidirezionalità e dell'irreversibilità.
Gli eventi del ciclo cellulare devono avvenire in una
certa sequenza che va mantenuta, anche se una delle
fasi si protrae più del previsto.
Esistono pertanto dei freni molecolari capaci di
arrestare il ciclo a vari posti di blocco, detti punti di
controllo, che evitano il passaggio alla fase successiva
se la precedente deve ancora concludersi.
In G1 c'è un primo punto di controllo precoce che
tiene conto della massa cellulare (dimensioni sotto la
soglia critica), del rapporto ottimale N/C e delle
condizioni del DNA. Tale punto di controllo arresta il
sistema e non permette alla cellula di proseguire in G1
se non si verificano le precedenti condizioni o se il DNA
è danneggiato.
Biologia 4/130
Superato il primo punto di controllo la cellula deve essere
stimolata da fattori proteici esogeni e deve trovare
condizioni ambientali opportune per progredire nel ciclo.
Gli stimoli sono rappresentati in primo luogo da:
fattori di crescita di competenza (PDGF, FGF..) che
agiscono nella prima parte di G1(azione irreversibile)
fattori di crescita di progressione (EGF, insulina…) che
agiscono solo se preceduti da fattori di competenza.
In culture cellulari è stato dimostrato che le cellule
smettono di dividersi se manca loro lo spazio (inibizione da
contatto); in questo caso diminuisce la sintesi proteica e la
cellula smette di proliferare. Il ritmo della sintesi proteica
è determinato anche da importanti trasformazioni del
citoscheletro.
Un secondo punto di controllo è
presente nella fase tardiva di G1,
punto
di
restrizione
(R),
superato il quale la cellula è in
grado di passare alla fase S.
Il punto R: è un punto di controllo
superato il quale la cellula contrae
l'impegno di andare verso la
divisione e completerà il suo ciclo
con i suoi specifici tempi, non più
determinata
dalle
condizioni
esterne.
Un ultimo punto di controllo si
ha nella parte finale di G2, dove
la cellula si può fermare prima di
entrare in mitosi.
Questo
controllo consente alla cellula di
verificare se la replicazione è
completa, il DNA è integro e le
dimensioni cellulari superano la
soglia critica.
Biologia 4/131
G0
= fase di non proliferazione
o di differenziazione
2° punto di
controllo
M
G2
G1
S
1° punto di controllo =
Punto di restrizione
Biologia 4/132
Meccanismi molecolari di controllo
Il ritmo della divisione cellulare è controllato da meccanismi molecolari
ancora non del tutto conosciuti che permettono ad una cellula di dividersi
solo se sono necessarie altre cellule.
Il sistema di controllo molecolare consiste principalmente in una serie di
complessi proteici, ciascuno composto da una subunità regolatrice detta
ciclina e una subunità catalitica detta protein chinasi ciclina-dipendente
(cdk).
Le cdk si legano ad una specifica ciclina formando un eterodimero
(ciclina-cdk) in grado di fosforilare proteine bersaglio.
Nelle cellule proliferanti le cdk persistono in tutte le fasi, tuttavia
vengono attivate dalle cicline solo in momenti ben definiti del ciclo per
essere disattivate rapidamente subito dopo per la degradazione della
corrispondente ciclina.
L'attivazione e la disattivazione di
transizioni G1→
→S, S→
→G2, G2→
→M.
questi
complessi
regolano
le
CDK = Kinasi Dipendente da Ciclina
+
Ciclina
inattiva
Composto
attivato
CDK
inattiva
fosforilazione
Proteina substrato
P
P
P
Proteina substrato
P
Esempi di proteine substrato :
lamine nella membrana nucleare,
proteine istoniche, proteina Rb…
P
Ciclina legata
dalla
ubiquitina e
degradata nel
proteasoma a
livello del
citoplama
CDK
inattiva
Biologia 4/133
Biologia 4/134
Tra i vari complessi che regolano i
vari passaggi tra gli stadi del ciclo
ricordiamo:
- il complesso ciclina-cdk di fase S
che induce la cellula ad entrare in
fase S
- MPF complesso ciclina-cdk mitotico
che induce la cellula ad entrare in
mitosi.
Ciclina D
G1
Cdk 4,6
Ciclina E
Proteina del
retinoblastoma
Rb
E2F
S
P
P
Rb
P
Ciclina A
P
Fattore di
trascrizione
Cdk 2
E2F
DNA
DNA
Viene indotta
l’espressione di geni i cui
prodotti sono
indispensabili per il
passaggio alle fasi
successive del ciclo
cellulare
Ciclina B
Cdk 2
Cicline A, B
Cdc2=Cdk1
G2
Cdc2=Cdk1
M
Ciclina D
+
Rb
Cdk 4,6
E2F
Proteina del
retinoblastoma
non fosforilata
Fattore di
trascrizione che
rimane legato a RB
DNA
Viene impedita la
trascrizione dei
geni necessari per
il passaggio alle
fasi successive del
ciclo cellulare che
quindi subisce un
blocco.
p15
p16
p18
p19
p27
p57
Ciclina E
p21
+
+
Stimolo
stressogeno,
danno al DNA
etc.
p53
Cdk 2
Biologia 4/135
Fattori Che Modificano Il Ciclo Cellulare
Il ciclo cellulare è regolato da stimoli provenienti da fattori proteici
esogeni.
Tra questi ricordiamo gli ORMONI capaci di agire per via endocrina
e i FATTORI DI CRESCITA capaci di agire per via endocrina,
paracrina e/o autocrina (vedi fattori di competenza e progressione).
Tutti i fattori che arrivano ad una cellula possono agire perché la
cellula (cellula bersaglio) possiede RECETTORI specifici per
determinati fattori.
Es. Le cellule nervose presentano un recettore specifico per il fattore
di crescita del nervo NGF capace di promuove la crescita degli assoni.
Biologia 4/136
Tutti i recettori una volta legato il rispettivo ligando innescano una
risposta cellulare che consiste nell'attivazione di protein Kinasi
capaci di trasferire un gruppo P da ATP a proteine bersaglio che a
loro volta si fosforilano.
RECETTORI
1) Glicoproteine di membrana che riconoscono ligandi (es. fattori di
crescita: primi messaggeri).
Posseggono un sito di riconoscimento extracellulare per il ligando
e un sito intracellulare per la risposta cellulare.
Molecola
stimolatrice
Recettore di
membrana
Transduzione del segnale (ad es.
attraverso il sistema delle
MAPKinasi)
NUCLEO
Espressione dei geni per Cicline,
CDK, fattori di trascrizione, enzimi
per la sintesi di DNA etc..
Preparazione per la divisione
cellulare
Biologia 4/137
Si distinguono tre tipi di recettori:
A)
recettori che possiedono attività
chinasica
B)
recettori che attivano la via
dell'AMP ciclico
C)
recettori che attivano la via
dell'inositolo e del diacilglicerolo
Biologia 4/138
2) recettori che si trovano all'interno della cellula che riconoscono
ligandi di natura idrofobica (Vit.A,D, ormoni steroidei, tiroidei).
Esplicano la loro attività direttamente nel nucleo.
Posseggono:
- un dominio per il ligando (es. ormone)
- un dominio per il DNA (es. sequenza di riconoscimento sul DNA)
- un dominio per un fattore proteico che lega il DNA (fattori di
trascrizione specifici).
Biologia 4/139
Apoptosi
(morte cellulare programmata)
Il numero delle cellule di un determinato tessuto è regolato dalla
proliferazione, dal differenziamento, dall'arresto della crescita e dalla
morte cellulare.
Infatti le cellule normalmente dopo circa 30-50 generazioni perdono la
capacità replicativa e vanno incontro alla morte cellulare programmata
detta apoptosi.
L'apoptosi è caratterizzata da frammentazione del nucleo e rottura del
DNA in piccoli frammenti. Alla fine del processo il citoplasma con alcuni
frammenti del nucleo inclusi forma i corpi apoptotici.
Biologia 4/140
Sono stati individuati alcuni geni che producono proteine che regolano il
processo di apoptosi.
Tali geni che promuovono l'arresto della crescita cellulare sono detti geni
oncosoppressori (es. p53).
Il processo apoptotico viene eseguito tra 15-60 minuti mentre la decisione
per la cellula di entrare in apoptosi può durare da pochi minuti ad alcune
ore.
L'apoptosi non deve essere confusa con la necrosi che è una morte non
programmata ma accidentale.
Quest'ultima provoca danneggiamento del
tessuto ed è caratterizzata dalla dissoluzione di tutti gli organelli primi fra
tutti i mitocondri.
Famiglie di geni i cui prodotti sono implicati nel
controllo del ciclo cellulare
PROTO-ONCOGENI: stimolano la proliferazione – i loro prodotti
possono essere: Fattori di crescita, Recettori di membrana, Molecole
transduttrici del segnale, Fattori di trascrizione nucleari
Nelle neoplasie essi sono alterati
ONCOGENI. E’
sufficiente che l’oncogene sia presente in 1 solo dei 2
alleli perché si evidenzi il fenotipo alterato (= eccesso di
proliferazione cellulare).
ONCOSOPPRESSORI: frenano la proliferazione – i loro prodotti possono
essere: proteine che bloccano i fattori di trascrizione (es. Rb), proteine
che inibiscono l’attività dei sistemi ciclina+CDK (es. p16), proteine (es.
p53) che inibiscono la progressione del ciclo cellulare in modo indiretto
(es. tramite induzione di inibitori delle CDK [p21/WAF]).
L’assenza del controllo negativo sulla proliferazione si
manifesta fenotipicamente solo quando l’oncosoppressore
è deleto o mutato in entrambi gli alleli. E’ quello che si
verifica in molte neoplasie ( = eccesso di proliferazione
cellulare per mancanza dell’azione frenante
dell’oncosoppressore).
Biologia 4/141
In quale fase del ciclo cellulare agiscono i fattori di
crescita di competenza:
A) fase G1 precoce
B)
Fase G2 precoce
C)
Fase S
D) Fase M
Biologia 4/142
Cosa sono i fattori di crescita:
a)
Sostanze vitaminiche
b)
Proteine necessarie per la proliferazione cellulare
c)
Fattori necessari all’accrescimento della catena polipeptidica
d)
Condizioni ambientali che favoriscono la crescita di una
popolazione
e)
Fattori necessari alla maturazione di una molecola di mRNA
Biologia 4/143
Che cosa si intense per fase Gz?
a)
La fase del ciclo in cui si ritrovano cellule che hanno perso ogni
capacità di ritornare in ciclo
b)
La fase del ciclo che precede le fasi G1 e G2
c)
La fase in cui si ritrovano alcune cellule che possono ritornare in
ciclo dopo opportuna stimolazione
d)
La fase del ciclo che precede la mitosi
