TUTTA LA VITA HA UN ORIGINE COMUNE CHE SI E DIVERSIFICATA E SVILUPPATA ATTRAVERSO IL PROCESSO DELL EVOLUZIONE. I RICERCATORI STIMANO CHE NEL

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1 INTRODUZIONE DEL CORSO DOCENTE DEL CORSO: Dr. Davide Barbagallo MATERIALE UTILE AI FINI DEL CORSO: 1. Libro di testo consigliato: Biologia e Genetica a cura di G. De Leo, E. Ginelli, S. Fasano (Ed. EdiSES) 2. Sito Internet (dove poter scaricare il materiale didattico): (Sezione Researchers Home Page Davide Barbagallo) 3. Ricevimento presso il Laboratorio di Biologia Molecolare: Comparto 10 Ed. C Piano -1, Stanza 002

2 TUTTA LA VITA HA UN ORIGINE COMUNE CHE SI E DIVERSIFICATA E SVILUPPATA ATTRAVERSO IL PROCESSO DELL EVOLUZIONE. I RICERCATORI STIMANO CHE NEL MONDO ATTUALE VI SIA UN NUMERO COMPRESO TRA 5*10 6 E 100*10 6 SPECIE VIVENTI

3 Caratteristiche degli organismi viventi 1) Utilizzo dell energia proveniente dall ambiente 2) Scambio di materia con l ambiente 3) Costruzione delle proprie strutture 4) Ereditarietà

4 L INTERA BIOLOGIA E UN CONTRAPPUNTO TRA DUE TEMI: STUPEFACENTE VARIETA NEI SINGOLI PARTICOLARI; STUPEFACENTE COSTANZA NEI MECCANISMI FONDAMENTALI Da Alberts B. et al. Biologia Molecolare della Cellula

5 LA FILOGENESI SI OCCUPA DI STUDIARE LA STORIA DELLA DISCENDENZA DEGLI ORGANISMI E COME ESSI SONO CAMBIATI NEL TEMPO. LA TASSONOMIA SI RIFERISCE INVECE ALLA MODALITA ATTRAVERSO CUI I NATURALISTI ED I BIOLOGI RAGGRUPPANO LE SPECIE (UNITA TASSONOMICHE DI BASE) DEGLI ORGANISMI VIVENTI E DEI FOSSILI.

6 SISTEMA GERARCHICO DI CLASSIFICAZIONE 1. SPECIE (Es.: sapiens) 2. GENERI (Es.: Homo) 3. FAMIGLIE (Es.: Hominidae) 4. ORDINI (Es.: Primates) 5. CLASSI (Es.: Mammalia) 6. PHYLA O DIVISIONI (Es.: Chordata) 7. REGNI (Es.: Animalia)

7 TASSONOMIA E SISTEMATICA MOLECOLARE LA SISTEMATICA MOLECOLARE SI BASA SULLE ANALISI DELLE SEQUENZE DI DNA O DELLE PROTEINE. ALLORQUANDO LA SIMILARITA TRA LE SEQUENZE PROTEICHE DI DIFFERENTI ORGANISMI RISULTA SIGNIFICATIVA, ALLORA TALI PROTEINE VENGONO DEFINITE OMOLOGHE E, PROBABILMENTE, SVOLGONO FUNZIONI SIMILI. (ES.:EVOLUZIONE DELL EMOGLOBINA)

8 NASCITA DELLA BIOINFORMATICA IL POTERE DI QUESTO TIPO DI ANALISI COMPARATIVE E L IDENTIFICAZIONE DI PROTEINE OMOLOGHE E STATO NOTEVOLMENTE AMPLIATO NEGLI ULTIMI 5 ANNI GRAZIE ALL ANALISI IN SILICO DELLE SEQUENZE AMINOACIDICHE, DEDOTTE DALLA CRESCENTE DISPONIBILITA DELLE INFORMAZIONI DI SEQUENZA CONTENUTE NEI PROGETTI GENOMA DEI VARI ORGANISMI VIVENTI. ESISTONO 3 GRANDI DATABASES DI SEQUENZE NUCLEOTICHE AL MONDO: EMBL; DDBJ E GenBank E UNIPROT COME DATABASE DI SEQ. AMINOACIDICHE.

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10 ATTRICE FONDAMENTALE DEL CORSO SARA LA CELLULA

11 La cellula è l unità fondamentale di tutti gli organismi viventi Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule Non esiste alcuna forma di vita se non a livello cellulare (TEORIA CELLULARE Prima metà del 1800; Shleiden, Schwann e Virchow)

12 A FRONTE DI UNA NOTEVOLE VARIETA DI FORME E FUNZIONI, DIFFERENTI TIPI DI CELLULE SONO ACCOMUNATI DAL POSSEDERE TUTTE: 1) CITOPLASMA; 2) NUCELOIDE O NUCLEO; 3) MEMBRANA PLASMATICA

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14 PER INIZIARE QUALCHE CENNO DI CHIMICA LA MATERIA E FATTA DI COMBINAZIONI DI ELEMENTI. LA PARTICELLA PIU PICCOLA DI UN ELEMENTO CHE MANTIENE ANCORA LE SUE CARATTERISTICHE CHIMICHE DISTINTIVE E UN ATOMO. ATOMI UNITI INSIEME IN GRUPPI COSTITUISCONO LE MOLECOLE. GRAFITE CARBONIO MOLECOLA ATP

15 L ATOMO IN UN ATOMO SI DISTINGUE UN NUCLEO CARICO POSITIVAMENTE ATTORNO AL QUALE RUOTANO PARTICELLE CARICHE NEGATIVAMENTE: GLI ELETTRONI (e - ) (-) IL NUCLEO DI UN ATOMO, IN PARTICOLARE, CONTIENE SIA PROTONI (p) (+) CHE NEUTRONI (n) (0) UN ATOMO ELETTRICAMENTE NEUTRO HA UN UGUAL NUMERO DI e - E DI p NUMERO ATOMICO = N DI p DEL NUCLEO GLI e - DETERMINANO IL COMPORTAMENTO CHIMICO DI UN ATOMO E TUTTI GLI ATOMI DI UN DATO ELEMENTO HANNO LO STESSO NUMERO ATOMICO ISOTOPI = ATOMI CON IDENTICO NUMERO DI p MA DIVERSO NUM. DI n PESO ATOMICO (PA) (ATOMI) O PESO MOLECOLARE (PM) (MOLECOLE) = MASSA IN CONFRONTO A QUELLA DI UN ATOMO DI IDROGENO (H) 1 DALTON (D) ~ MASSA DI UN ATOMO DI H

16 ATOMO DI BOHR ORBITALI ELETTRONI NUCLEO

17 IN NATURA SI TROVANO 92 ELEMENTI, CIASCUNO DIVERSO DAGLI ALTRI PER NUMERO DI p E DI e - NEI SUOI ATOMI GLI ORGANISMI VIVENTI (VIRUS COMPRESI) SONO COMPOSTI SOLTANTO DA UNA PICCOLA SELEZIONE DI QUESTI ELEMENTI

18 I DIVERSI ELEMENTI SONO DISTRIBUITI NELLA TAVOLA IN BASE ALLE LORO CARATTERISTICHE PERIODICHE

19 I LEGAMI TRA GLI ATOMI NEI TESSUTI VIVENTI SOLO GLI ELETTRONI DI UN ATOMO SUBISCONO RIARRANGIAMENTI (MODIFICAZIONI). GLI e - SONO IN CONTINUO MOVIMENTO INTORNO AL NUCLEO, SECONDO BEN PRECISI STATI DISCRETI DETTI ORBITALI O GUSCI ELETTRONICI. CIASCUN GUSCIO PUO CONTENERE SOLO UN NUMERO PRESTABILITO DI e - : 1 GUSCIO 2 e - ; 2 E 3 GUSCIO 8 e - CIASCUNO; 4 E 5 GUSCIO 18 e - CIASCUNO (ATOMI CON PIU DI 4 GUSCI SONO MOLTO RARI NELLE MOLECOLE BIOLOGICHE).

20 I GUSCI PIU INTERNI AVRANNO I LORO e - MAGGIORMENTE ATTRATTI DAI p, AL CONTRARIO GLI e - DEI GUSCI PIU ESTERNI SARANNO MENO VINCOLATI. I PRIMI e - SONO PIU STABILI DEI SECONDI. QUANDO UN ATOMO HA IL GUSCIO PIU ESTERNO INTERAMENTE RIEMPITO DI e - E PARTICOLARMENTE STABILE E, QUINDI, CHIMICAMENTE NON REATTIVO (Es: He; Ne; Ar; etc ). GLI ATOMI CHE, INVECE, HANNO L ORBITALE PIU ESTERNO NON COMPLETAMENTE RIEMPITO, SONO IN GRADO DI DONARE ; RICEVERE O CONDIVIDERE e- FRA LORO PER FORMARE MOLECOLE O IONI

21 LEGAME IONICO = QUANDO GLI e - SONO DONATI DA UN ATOMO AD UN ALTRO LEGAME COVALENTE = QUANDO DUE ATOMI CONDIVIDONO UNA O PIU COPPIE DI e - NOTA: SPESSO LA COPPIA (O LE COPPIE) DI e - E CONDIVISA IN MODO INEGUALE (CIOE GLI e - SONO ATTRATTI DI PIU VERSO UN ATOMO QUELLO PIU ELETTRONEGATIVO PIUTTOSTO CHE VERSO L ALTRO (Es: H 2 O) ): IN TAL CASO SI PARLA DI LEGAME COVALENTE POLARE IL NUM. DI e- CHE UN ATOMO DEVE ACQUISIRE O PERDERE (SIA PER CONDIVISIONE CHE PER TRASFERIMENTO) PER OTTENERE UN GUSCIO ESTERNO PIENO E NOTO COME LA SUA VALENZA LEGAME IONICO LEGAME COVALENTE LEGAME COVALENTE POLARE

22 LEGAME IONICO SOLITAMENTE SI FORMA TRA ATOMI CHE HANNO SOLTANTO UNO O DUE e - IN PIU OLTRE AD UN GUSCIO ELETTRONICO PIENO OD A CUI MANCANO UNO O DUE e - PER ACQUISIRE UN GUSCIO ESTERNO PIENO. QUESTI ATOMI, INFATTI, POSSONO OTTENERE UN GUSCIO ELETTRONICO ESTERNO PIENO PIU FACILMENTE TRASFERENDO e - AD UN ALTRO ATOMO O ACQUISENDOLI DA ESSO PIUTTOSTO CHE METTENDONE IN COMPARTECIPAZIONE. NEL VUOTO IL LEGAME IONICO E VOLTE PIU FORTE CHE IN SOLUZIONE ACQUOSA UN CRISTALLO DI NaCl

23 LEGAME COVALENTE MOLECOLA = GRUPPO DI ATOMI TENUTI ASSIEME DA LEGAMI COVALENTI NEI LEGAMI COVALENTI GLI e- SONO CONDIVISI TRA ATOMI PER COMPLETARE IL GUSCIO ESTERNO, PIUTTOSTO CHE ESSERE TRASFERITI FRA DI ESSI. GLI e- CONDIVISI FORMANO UNA NUVOLA DI CARICHE NEGATIVE CHE E PIU DENSA TRA I DUE NUCLEI CARICHI POSITIVAMENTE ED AIUTA A TENERLI INSIEME, OPPONENDOSI ALLA MUTUA REPULSIONE FRA CARICHE SIMILI CHE ALTRIMENTI LI FORZEREBBERO A SEPARARSI FORZE ATTRATTIVE E REPULSIVE SONO IN EQUILIBRIO SE I NUCLEI SONO SEPARATI DA UNA DISTANZA CARATTERISTICA, CHIAMATA LUNGHEZZA DI LEGAME ALTRA PROPRIETA CRUCIALE DI QUALUNQUE LEGAME (COVALENTE E NON) E LA FORZA DI LEGAME = QUANTITA DI ENERGIA (IN Kcal/mole) CHE DEVE ESSERE FORNITA PER ROMPERE QUEL LEGAME. [UN TIPICO LEGAME COVALENTE HA UNA FORZA DI 90 Kcal/mole]. FORMAZIONE E ROTTURA DI LEGAMI COVALENTI SONO EVENTI VIOLENTI E NELLA CELLULA SONO CONTROLLATI DA CATALIZZATORI SPECIFICI: GLI ENZIMI

24 LEGAME COVALENTE (continua) QUANDO UN ATOMO FORMA LEGAMI COVALENTI CON PARECCHI ALTRI, QUESTI LEGAMI MULTIPLI HANNO ORIENTAMENTI DEFINITI NELLO SPAZIO L UNO RISPETTO ALL ALTRO, RIFLETTENDO GLI ORIENTAMENTI DELLE ORBITE DEGLI e- CONDIVISI: SI PARLA IN TAL CASO DI ANGOLI DI LEGAME L ORIENTAMENTO PRECISO DEI LEGAMI COVALENTI FORMA LA BASE DELLA GEOMETRIA TRIDIMENSIONALE DELLE MOLECOLE ORGANICHE H 2 O UN FRAMMENTO DI DNA

25 LEGAME COVALENTE (continua) I LEGAMI COVALENTI POLARI SONO MOLTO IMPORTANTI IN BIOLOGIA (V. DNA) PERCHE CREANO DEI DIPOLI PERMANENTI CHE PERMETTONO ALLE MOLECOLE DI INTERAGIRE TRAMITE FORZE ELETTRICHE. Es: UNA MACROMOLECOLA BIOLOGICA (COME IL DNA O LE PROTEINE) CON MOLTI GRUPPI POLARI, AVRA UNO SCHEMA DI DISTRIBUZIONE DI CARICHE + E - SULLA SUA SUPERFICIE; QUANDO UNA TALE MOLECOLA INCONTRA UNA SECONDA MOLECOLA CON UNA SERIE COMPLEMENTARE DI CARICHE, LE DUE MOLECOLE SARANNO ATTRATTE FRA LORO DA INTERAZIONI FRA DIPOLI PERMANENTI CHE ASSOMIGLIANO AI LEGAMI IONICI MA SONO PIU DEBOLI DI QUESTI Es. DI LEGAMI COVALENTI POLARI DNA-PROTEINE

26 LEGAMI NON COVALENTI LEGAME IONICO (V. PRIMA). LEGAME IDROGENO (LEGAMI H) = SI FORMA QUANDO UN ATOMO DI H SI METTE A PONTE TRA DUE ATOMI AD ELETTRONEGATIVITA MAGGIORE RISPETTO AD ESSO (Es: LEGAMI H TRA MOLECOLE DI ACQUA). ATTRAZIONE DI Van der Waals = QUANDO, A CAUSA DELLA FLUTTUAZIONE DELLA NUVOLA ELETTRONICA DI UN ATOMO APOLARE, SI FORMA UN DIPOLO INTERMITTENTE CHE, A SUA VOLTA, INDUCE TRANSITORIAMENTE UN DIPOLO INTERMITTENTE POLARIZZATO IN MODO OPPOSTO IN UN ATOMO CIRCOSTANTE. QUESTA INTERAZIONE TRA ATOMI E MOLTO DEBOLE. LEGAME IDROFOBICO LEGAME IDROFOBICO = NON E UN VERO E PROPRIO LEGAME, QUANTO UNA INTERAZIONE FORZATA TRA MOLECOLE IDROFOBICHE CHE VENGONE SPINTE DALL ACQUA A FORMARE DEGLI AGGREGATI MOLECOLARI CHE COPRONO A VICENDA I LORO RESIDUI APOLARI, EVITANDO COSI EFFETTI DISTRUTTIVI SUL RETICOLO D ACQUA, TENUTO INSIEME DA LEGAMI H.

27 LEGAME H

28 ATTRAZIONE DI Van der Waals

29 LEGAMI IDROFOBICI

30 LE MACROMOLECOLE CELLULARI IN PESO, LE MACROMOLECOLE SONO DI GRAN LUNGA LE PIU ABBONDANTI FRA LE MOLECOLE CHE CONTENGONO C IN UNA CELL. VIVENTE; SONO LE PRINCIPALI UNITA DI CUI E COSTITUITA UNA CELL. E ANCHE I COMPONENTI CHE CONFERISCONO LE PROPRIETA PIU DISTINTIVE DEI VIVENTI. 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% PROTEINS RNA DNA SI DEDUCE CHE NELLA CELLULA LE MOLECOLE SONO DISSOLTE A FORMARE UNA SOLUZIONE ACQUOSA

31 H 2 O CO 2 - NH 3 CH 4 Aminoacidi, Nucleotidi, Acidi grassi e Glicerolo, Monosaccaridi Proteine, Acidi nucleici, Lipidi, Polisaccaridi

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34 Aggregati Macromolecolari Ribosomi Sistemi multienzimatici Membrane cellulari

35 CELLULA PROCARIOTICA

36 PROCARIOTI EUBATTERI ARCHEOBATTERI GRAM + GRAM -

37 3 µm EUBATTERI

38 ARCHEA MANCANO DI PEPTIDOGLICNI NELLA PARETE CELL., LA MEMBR. CELL. E COSTITUITA DA LIPIDI DIFFERENTI RISPETTO A QUELLI DEGLI EUBATTERI, LA STRUTTURA DEI LORO GENI, NONCHE LA SEQUENZA DI MOLTI LORO RNA E PROTEINE E PIU SIMILE A QUELLA DEGLI EUCARIOTI PIUTTOSTO CHE A QUELLA DEGLI EUBATTERI.

39 CELLULA EUCARIOTICA

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41 COMPARTIMENTALIZZAZIONE TUTTI GLI ORGANISMI MULTICELLULARI, (COMPRESI VEGETALI, FUNGHI ED ANIMALI) SONO COSTITUITI DA CELLULE EUCARIOTICHE. ESISTONO CMQ. ALCUNI ORGANISMI EUCARIOTI UNICELLULARI (PROTOZOI, AMEBE E LIEVITI)

42 TEORIA DELL ENDOSIMBIONTE 1,5 MLD. DI ANNI FA SI PASSAVA DA UN ATMOSFERA RIDUCENTE AD UNA OSSIDANTE NASCITA DEI MITOCONDRI

43 TEORIA DELL ENDOSIMBIONTE 1,5 MLD. DI ANNI FA SI PASSAVA DA UN ATMOSFERA RIDUCENTE AD UNA OSSIDANTE NASCITA DEI CLOROPLASTI

44 E stimato che nel corpo umano sono presenti circa cellule che costituiscono i differenti tessuti, organi e apparati

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46 COMPARAZIONE TRA ALCUNE CARATTERISTICHE DELLE CELL. PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE CARATTERISTICA PROCARIOTI EUCARIOTI Dimensione Pochi µm Decine di µm* Nucleo delimitato da Membrana No Organuli No Si Microtubuli No Si Microfilamenti No Si Filamenti intermedi No Si Esocitosi ed Endocitosi No Si Modal. Divisione Cell. Scissione Mitosi e Meiosi Informazione Genetica DNA + Proteine DNA + Proteine (Cromosomi) Maturazione dell RNA Scarsa Elevata Ribosomi Piccoli (70S) Grandi (80S) * Le cellule eucariotiche sono ca. 10 volte più grandi delle procariotiche come Dimensioni lineari e 1000 volte maggiori come volume. Si

47 IL MATERIALE GENETICO NON ESISTONO SULLA TERRA CELLULE CHE NON CONSERVINO LA LORO INFORMAZIONE EREDITARIA SOTTO FORMA DI DNA, SENZA ALCUNA ECCEZIONE NOTA. DUNQUE IL MATERIALE GENETICO, LE MEMBRANE CELLULARI ED IL METABOLISMO BASALE SONO LE CARATTERISTICHE DI BASE CHE ACCOMUNANO TUTTE LE CELLULE VIVENTI. Unica eccezione presente nei Retrovirus, virus ad RNA che integrano il loro genoma all interno di quello dell ospite previa retrotrascrizione del loro RNA in DNA!

48 Duplicazione - Trascrizione - Traduzione DNA Trascrizione DNA - La DUPLICAZIONE è il processo che porta alla formazione di copie delle molecole di DNA ed al trasferimento del materiale genetico RNA Traduzione - Il processo di TRASCRIZIONE è il trasferimento dell informazione dal DNA alle molecole di RNA Proteina - La TRADUZIONE è il processo mediante il quale si passa dall RNA alle proteine

49 L intero quantitativo di DNA (codificante e non) all interno di una cellula prende nome di GENOMA. Tutte le cellule di uno stesso organismo pluricellulare hanno un identico Genoma, in quanto derivate da una cellula progenitore comune (lo Zigote). Individui diversi avranno GENOTIPI differenti ( ameno dei gemelli monozigoti) e ciascun GENOTIPO è caratterizzante di uno specifico FENOTIPO.

50 Meccanismi di Regolazione dell espressione genica Fase Nucleare Scelta del gene che deve essere espresso Maturazione dell RNA Trasferimento Nucleo- Citoplasma Fase Citoplasmatica Sintesi delle catene polipeptidiche Modificazioni post-traduzionalitraduzionali Trasferimento delle proteine nelle sedi di competenza

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52 Complessità delle reti proteiche intracellulari 31 gruppi funzionali proteine

53 Mappa delle principali vie di segnalazione importanti per il cancro in cellule umane. Indica le posizioni cellulari di alcune proteine modificate da mutazioni e coinvolte nella patogenesi di tumori.

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