2 H H + O=O 2 H2O un legame chimico si rompe se si forma un altro legame chimico

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1 RNA DNA

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3 Cl Cl Cl* + Cl* la rottura di un legame chimico può portare a formare radicali liberi 2 H H + O=O 2 H2O un legame chimico si rompe se si forma un altro legame chimico

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5 Strutture del DNA: a doppia elica (B) e a doppia elica (Z)

6 RNA: difficile fare previsioni di struttura tridimensionale

7 DH = DG - TDS

8 N C Struttura PRIMARIA di una proteina = sequenza di amminoacidi tenuta insieme da legami peptidici. E direttamente codificata dalla sequenza di nucleotidi del gene Struttura secondaria di una proteina è un ripiegamento dovuto a formazione di legami a idrogeno tra gruppi C=O e gruppi NH di differenti legami peptidici Struttura ad alfa-elica o di tipo beta

9 Un insieme di elementi di strutture secondarie che svolgono la stessa funzione in proteine diverse formano un MOTIVO Le sequenze di amminoacidi sono diverse ma sono costanti le posizioni di alcuni amminoacidi e la geometria complessiva

10 Struttura TERZIARIA di una proteina = ripiegamento finale della proteina ad opera di vari tipi di legame (ionico, idrofobico, covalente come ponti -S-S-) tra i gruppi R dei vari amminoacidi Tubulina La struttura terziaria, responsabile della funzione della proteina, dipende dalle interazioni con l ambiente in cui si forma

11 Proteine di grandi dimensioni sono costituite da un insieme di strutture terziarie dette DOMINI Un DOMINIO = parte di una grande proteina responsabile di una specifica funzione ed ha una specifica struttura tridimensionale Uno stesso motivo si può trovare in proteine diverse; diversa sequenza di amminoacidi ma invariata la forma complessiva e la posizione nello spazio di alcuni amminoacidi Esempi di domini: Enzimi che catalizzano differenti reazioni di deidrogenazione usano il coenzima NAD+ ed hanno tutte lo stesso dominio per legare il NAD+

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13 Le proteine di grandi dimensioni hanno una struttura quaternaria. La struttura QUATERNARIA delle proteine = unione di subuntà, costituite da proteine con struttura terziaria, unite da legami deboli tra i gruppi R

14 FUNZIONI DELLE PROTEINE: catalisi (enzimi) regolazione strutturale (es. citoscheletro) contrattile (movimento) trasferimento (pompe e canali) comunicazione (ormoni e recettori) difesa (anticorpi e tossine) deposito (proteine del vitello ) trasporto (es. trasporto di lipidi)

15 Nuove funzioni complesse non sono il risultato della creazione ex novo di molecole complesse, ma l assunzione di nuove funzioni dalla modificazione di molecole più vecchie

16 Il legame peptidico ha un parziale carattere di doppio legame che consente alle proteine di mantenere una forma propria

17 DH = DG - TDS Il DG è la forza guida delle interazioni che portano ad una condizione più ordinata di quella di partenza

18 La maggior parte delle interazioni tra macromolecole biologiche non è guidata dal consumo di DG ma dall aumento dell entropia Eppure, quando due macromolecole si uniscono si realizza una condizione più ordinata, con aumento della loro entropia

19 Due macromolecole si uniscono spontaneamente solo quando l aumento di entropia dell acqua fornisce l energia sufficiente Le due macromolecole avranno una condizione più ordinata, ma l acqua si trova in una situazione di massimo disordine molecolare

20 I legami deboli hanno un ruolo importante nella formazione di strutture quaternarie x +ATP Pi

21 Le modificazioni post-traduzionali, modificando la forma delle proteine, ne modificano le interazioni con altre molecole +ATP Pi

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23 La Systems Biology ha come scopo la comprensione dei circuiti biologici che sono costituiti da reti incredibilmente complesse Esiste un enorme numero di interazioni che tra le biomolecole, e nella cellula sono presenti reti con migliaia di tali interazioni I circuiti biologici si sono evoluti per eseguire delle funzioni, sono quindi tutt'altro che casuali

24 Particolare di un network delle interazioni molecolari in un sistema biologico Interazioni proteina-proteina Interazioni proteina-dna Interazioni proteina-rna Interazioni RNA-DNA Interazioni enzima-substrato Reazioni metaboliche Interazioni di co-espressione Network di associazioni Interazioni tra geni

25 L assemblaggio delle molecole del brodo primordiale per formare una protocellula è come la crescita di una rete Da allora sono trascorsi miliardi di anni, sono intervenute evoluzione e selezione naturale per guidare la crescita della rete e per ottimizzarne il funzionamento La complessa rete metabolica di Escherichia coli sarebbe costituita da oltre 700 nodi ed un migliaio di link (dati vecchi di oltre 10 anni, come la rete metabolica di 43 organismi studiati!) Risultati sorprendenti, ogni organismo esaminato aveva una topologia a invarianza di scala, ogni cellula era una ragnatela irregolare di interazioni in cui poche molecole partecipavano alla maggior parte delle reazioni (hub) e tutte le altre erano coinvolte in solo una o due reazioni

26 Se due molecole partecipano alla stessa reazione, il loro grado di separazione è 1, se sono collegate da due reazioni successive il loro grado di separazione è 2, e così via Se il grado di separazione tra A e B fosse molto alto, es. 100, vorrebbe dire che ogni cambiamento della molecola A deve passare attraverso 100 reazioni diverse per raggiungere la molecola B, un percorso troppo lungo che qualsiasi perturbazione potrebbe estinguere Invece nella cellula, il grado di separazione che si trova è molto piccolo (3-4), cioè la perturbazione di A raggiunge ed influenza velocemente B, un mondo piccolo! Il grado di separazione delle molecole nei 43 organismi studiati non risente affatto delle loro dimensioni fisiche o della loro complessità, batterio o organismo pluricellulare, resta costante

27 Dato un qualsiasi insieme di nodi, è sufficiente che ci sia almeno un link per ogni nodo per far emergere un unico cluster, i nodi diventeranno parte di un unico insieme dove, spostandosi lungo i link, si potrà sempre passare da un nodo all altro A B C D E F G H I

28 La rete metabolica della cellula condivide più o meno gli stessi hub, cioè la decina di molecole più interconnesse che sono i medesimi per tutte le cellule anche se di organismi molto differenti Il più grande hub è ATP, seguito da ADP ed H 2 O, le molecole più connesse sono anche le più vecchie, il vantaggio del primo arrivato! Se gli hub sono gli stessi, che cosa rende differenti i 43 organismi? Le cellule di diversi organismi somigliano ad un quartiere dove le case, anche se disegnate dallo stesso architetto, sono rifinite da diversi costruttori ed arredatori. Viste dall alto sembrano tutte uguali ma da vicino si notano notevoli differenze

29 I sistemi biologici sono robusti perché sono una rete complessa ad alta interconnettività La resilienza si basa sulla capacità di autoaggiustamento ed è una proprietà che dipende dalla topologia delle reti La robustezza di una cellula vivente si fonda sulla sua intricata rete di regolazione e sulla rete metabolica I nodi poco connessi sono la maggioranza, gli hub sono pochi; se sparisce qualche nodo a caso è probabile che sia un nodo poco connesso e la rete complessivamente non se ne accorge Un attacco mirato alla selettiva eliminazione di hub può smantellare la rete. Ad esempio come quando si provano ad eliminare le proteine più altamente connesse dalla rete delle interazioni proteiche nella cellula del lievito

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31 Le reti sono robuste ai guasti ma vulnerabili agli attacchi mirati; posso eliminare varie proteine senza problema, ma se elimino quelle più connesse la cellula muore I guasti a cascata possono bloccare il funzionamento delle rete; un aumento improvviso di concentrazione di una molecola può originare una cascata di eventi e portare a morte la cellula La robustezza delle reti comporta che quando una sostanza chimica nel nostro corpo non funziona provocando un esantema o una irritazione noi restiamo perfettamente in grado di svolgere le nostre normali funzioni quotidiane Il prezzo è però la vulnerabilità agli attacchi, il tallone d Achille Una rete distribuita rallenta la diffusione di un virus

32 I virus sono i più numerosi e diversificati soggetti genetici presenti dappertutto sulla Terra, possono infettare organismi di tutti e tre i domini della vita e persino altri virus Come e dove si può incontrare un virus? - nell aria che respiriamo (raffreddore, influenza, vaiolo, ) - mediante scambi di liquidi organici (HIV) - mediante animali, ad esempio insetti (febbre gialla) - alimentazione (epatite A) - nel genoma degli eucarioti sono presenti miriadi di sequenze virali temporaneamente integrate, molte sono diventate endogene nel corso di milioni di anni

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35 Il funzionamento di un organismo vivente è ben poco riconducibile alle sue componenti molecolari E necessario capire come e quando vari geni lavorano insieme, in che modo i loro messaggi viaggiano dentro la cellula, quali reazioni avvengono o non avvengono in un dato istante, come si diffondono gli effetti di una reazione chimica attraverso una rete cellulare complessa La mancanza della conoscenza della mappatura della rete all interno della cellula, ci mette nella stessa condizione di chi ha tutti i componenti di un automobile ma di fatto non ha l automobile se non è in grado di rimetterli insieme, è inutile avere i nodi se non si riesce ad avere i link Non manca solo un motore di ricerca, il problema è che dentro la cellula ci sono diversi livelli di organizzazione e ognuno di loro è una rete complessa

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37 Nella loro architettura le reti nascondono proprietà che possono limitare o favorire ciò che possiamo fare con loro; piccoli cambiamenti nella topologia, riguardanti solo qualche nodo o qualche link, possono aprire varchi nascosti ed emergere nuove proprietà La struttura e la costruzione delle reti sono la chiave per comprendere il mondo complesso che ci circonda Come nascono le reti che vediamo nel mondo reale? Quali sono le leggi della loro formazione e la loro struttura? Dato un qualsiasi insieme di nodi, è sufficiente che ci sia almeno un link per ogni nodo per far emergere un unico cluster, i nodi diventeranno parte di un unico insieme dove, spostandosi lungo i link, si potrà sempre passare da un nodo all altro

38 L assemblaggio delle molecole del brodo primordiale per formare una protocellula è come la crescita di una rete Da allora sono trascorsi miliardi di anni, sono intervenute evoluzione e selezione naturale per guidare la crescita della rete e per ottimizzarne il funzionamento La complessa rete metabolica di Escherichia coli sarebbe costituita da oltre 700 nodi ed un migliaio di link (dati vecchi di oltre 10 anni, come la rete metabolica di 43 organismi studiati!) Risultati sorprendenti, ogni organismo esaminato aveva una topologia a invarianza di scala, ogni cellula era una ragnatela irregolare di interazioni in cui poche molecole partecipavano alla maggior parte delle reazioni (hub) e tutte le altre erano coinvolte in solo una o due reazioni

39 Il nostro metabolismo è una rete (ragnatela) di reazioni biochimiche, ciascuna delle quali ha diverse reazioni intermedie I nodi di questa rete sono le molecole (es. H 2 O, glucosio, esochinasi, ATP, DNA, ), i link sono le reazioni biochimiche che le collegano; se A reagisce con B per formare C e D, tutte e quattro queste molecole saranno collegate l una all altra nel metabolismo Il metabolismo da solo non serve a niente, è come avere un motore di automobile senza le ruote, le sospensioni, i freni, i fari, : non posso utilizzarlo per spostarmi da un luogo all altro Il resto (ruote e sospensioni, ) è la rete di regolazione della cellula i cui nodi sono le proteine e gli acidi nucleici ed i link sono le interazioni biochimiche tra loro

40 Se due molecole partecipano alla stessa reazione, il loro grado di separazione è 1, se sono collegate da due reazioni successive il loro grado di separazione è 2, e così via Se il grado di separazione tra A e B fosse molto alto, es. 100, vorrebbe dire che ogni cambiamento della molecola A deve passare attraverso 100 reazioni diverse per raggiungere la molecola B, un percorso troppo lungo che qualsiasi perturbazione potrebbe estinguere Invece nella cellula, il grado di separazione che si trova è molto piccolo (3-4), cioè la perturbazione di A raggiunge ed influenza velocemente B, un mondo piccolo! Il grado di separazione delle molecole nei 43 organismi studiati non risente affatto delle loro dimensioni fisiche o della loro complessità, batterio o organismo pluricellulare, resta costante

41 L aggiunta di pochi link riduce la separazione media tra tutti i nodi Un mondo con pochi link è più grande da percorrere Con pochi link in più si riduce drasticamente la distanza tra i nodi

42 La rete metabolica della cellula condivide più o meno gli stessi hub, cioè la decina di molecole più interconnesse che sono i medesimi per tutte le cellule anche se di organismi molto differenti Il più grande hub è ATP, seguito da ADP ed H 2 O, le molecole più connesse sono anche le più vecchie, il vantaggio del primo arrivato! Se gli hub sono gli stessi, che cosa rende differenti i 43 organismi? Le cellule di diversi organismi somigliano ad un quartiere dove le case, anche se disegnate dallo stesso architetto, sono rifinite da diversi costruttori ed arredatori. Viste dall alto sembrano tutte uguali ma da vicino si notano notevoli differenze

43 Lasciando perdere la rete metabolica, come si presenta la rete di regolazione responsabile del funzionamento della cellula e quindi della salute e della malattia? La rete di interazioni proteina/proteina mostra anch essa invarianza di scala, la maggior parte delle proteine svolge una funzione molto specifica all interno della cellula, interagendo con 2-3 proteine al massimo; ne consegue che le altre poche proteine rimaste possono attaccarsi fisicamente ad un grandissimo numero di altre proteine, sono hub cruciali per il corretto funzionamento della cellula e per la sua sopravvivenza La mutazione di un gene per una proteina hub è sempre letale, quella di qualsiasi altra proteina lo è solo nel 20% in meno dei casi La rete biologica non è molto diversa dalle altre reti, incluso internet. Come mai la rete biologica ha invarianza di scala?

44 La duplicazione genica gioca un ruolo nella crescita delle reti che mantengono invarianza di scala Quando un gene viene duplicato, all inizio guida la produzione di proteine identiche che interagiscono con le stesse proteine ma costituisce un nuovo nodo con cui interagiscono quelle stesse proteine e quindi gli hub ad esse collegate Esempio: la P53 che nonostante decine di migliaia di ricerche e pubblicazioni non ha portato alla definizione di un farmaco che le consenta di svolgere semplicemente il suo ruolo di guidare la riparazione o condurre all apoptosi Non serve fissarsi sulla P53, bisogna invece considerare la rete della P53, interferire con i nodi connessi a P53 = attaccare P53

45 Internet: miliardi di dati memorizzati da vari computer (nodi) ed un programma che permette ai computer di condividere le informazioni e di collegarsi tra loro a livello mondiale (link) = World Wide Web Il potere del web è tutto nei link, i localizzatori di risorse (URL, uniform resource locators) che ci permettono di navigare attraverso le informazioni, localizzarle e metterle insieme Quanti link sono necessari per passare dalla homepage di uno studente di Ancona a quella di un agente di cambio di Boston? Sembra strano, ma sembrerebbe solo una ventina di click Basso grado di separazione in tutte le reti esaminate dagli scienziati, aumentando i link la complessità della rete collassa

46 In una rete dove i nodi hanno k link, partendo da un qualunque nodo con un solo passaggio possiamo raggiungere k nodi; due link più in là ci sono k 2 nodi, d link più in là ci sono k d nodi; se k è grande, anche con valori bassi di d possiamo raggiungere moltissimi nodi, fino a tutti i nodi esistenti (basso grado medio di separazione nelle reti esistenti) Importanza dei legami deboli per la formazione delle reti, esempio legami a idrogeno; quando si cerca un lavoro i legami sociali deboli sono molto più utili di legami sociali molto forti Insiemi di tanti grafi completi (piccoli cluster in cui tutti i nodi sono connessi tra loro), collegati l uno all altro da pochissimi legami deboli

47 I sistemi biologici sono robusti perché sono una rete complessa ad alta interconnettività La resilienza si basa sulla capacità di autoaggiustamento ed è una proprietà che dipende dalla topologia delle reti La robustezza di una cellula vivente si fonda sulla sua intricata rete di regolazione e sulla rete metabolica I nodi poco connessi sono la maggioranza, gli hub sono pochi; se sparisce qualche nodo a caso è probabile che sia un nodo poco connesso e la rete complessivamente non se ne accorge Un attacco mirato alla selettiva eliminazione di hub può smantellare la rete. Ad esempio come quando si provano ad eliminare le proteine più altamente connesse dalla rete delle interazioni proteiche nella cellula del lievito

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49 Le reti sono robuste ai guasti ma vulnerabili agli attacchi mirati; posso eliminare varie proteine senza problema, ma se elimino quelle più connesse la cellula muore I guasti a cascata possono bloccare il funzionamento delle rete; un aumento improvviso di concentrazione di una molecola può originare una cascata di eventi e portare a morte la cellula La robustezza delle reti comporta che quando una sostanza chimica nel nostro corpo non funziona provocando un esantema o una irritazione noi restiamo perfettamente in grado di svolgere le nostre normali funzioni quotidiane Il prezzo è però la vulnerabilità agli attacchi, il tallone d Achille Una rete distribuita rallenta la diffusione di un virus

50 L immensa rete di internet non è tutta e del tutto esplorabile, le reti dirette sono inevitabilmente divise in continenti Es. reti di citazioni di un articolo, o reti alimentati non sono mai bidirezionali

51 Lo smisurato livello di collegamenti che caratterizza internet rischia di trasformare il nostro Pianeta in un immenso computer fatto di miliardi di processori e sensori interconnessi: quanto dovremo aspettare prima che questo «computer» diventi autocosciente? Forse non è ancora autocosciente, certo è che internet vive di vita propria, cresce e si sviluppa con una rapidità senza precedenti, seguendo le stesse leggi con cui la natura tesse le sue reti Sono tanti gli aspetti in comune con gli organismi viventi: proprio come le centinaia di migliaia di reazioni che hanno luogo in una cellula vivente, innumerevoli terabyte di informazioni passano ogni giorno attraverso i link di internet Molte di queste informazioni sono difficili da trovare, ecco il world wide web