INDICE GENERALE Autori iii Prefazione v Capitolo 1 Basi chimiche e organizzazione molecolare della vita 1 Acqua 1 Le proprietà dell acqua sono dovute ai legami idrogeno tra le sue molecole 1 L acqua come solvente 3 Rapporti tra acqua e composti anfipatici 4 Carboidrati 5 Monosaccaridi 5 Il legame glicosidico e i derivati dei monosaccaridi 7 Lipidi 11 Proteine 15 Struttura chimica delle proteine 19 Amminoacidi e legame peptidico 20 Organizzazione tridimensionale delle proteine 23 Denaturazione e rinaturazione delle proteine 27 Regolazione dell attività biologica delle proteine 28 Acidi nucleici 30 Dal nucleotide al cromosoma 30 Da Miescher a Chargaff, Wilkins e Franklin 31 Struttura chimica degli acidi nucleici 34 Costruiamo una catena polinucleotidica 36 Struttura della doppia elica 37 Palindromi 39 Sono possibili riconoscimenti non canonici fra le basi? 39 Acido ribonucleico (RNA) 39 Strategie di compattamento del DNA: virus, piccoli DNA circolari, batteri, eucarioti 40 Parametri fisici del DNA 44 Denaturazione e rinaturazione 45 Grandezza e complessità del genoma 46 Morfologia dei cromosomi metafasici 47 Inserto 1.1: Come possono le proteine interagire con gli acidi nucleici? 17 Inserto 1.2: Amminoacidi della serie D Sintesi proteica non ribosomale 21 Inserto 1.3: Il genoma umano 48 Capitolo 2 Le basi dell organizzazione biologica 55 La classificazione degli organismi 55 L albero della vita 55 Tassonomia e sistematica molecolare 58 La cellula alle origini 60 Gli organismi e le cellule 60 Lo sviluppo della teoria cellulare 60 Le proprietà fondamentali delle cellule 61
La cellula procariotica 63 I procarioti più antichi: gli Archea 66 I Bacteria 67 La cellula eucariotica 68 Le membrane biologiche 70 Il nucleo 86 Il reticolo endoplasmatico 93 I ribosomi 99 I mitocondri 101 Il complesso del Golgi 105 I lisosomi 109 I perossisomi 112 Il citoscheletro 117 Inserto 2.1: Evoluzione 59 Inserto 2.2: Cronologia degli studi sulla composizione della membrana plasmatica 71 Inserto 2.3: Dimostrazione del movimento laterale delle proteine e dei lipidi nel doppio strato lipidico 85 Inserto 2.4: Dinamismo della cromatina e architettura nucleare: la regolazione dell espressione genica in 3D 94 Inserto 2.5: Reticolo endoplasmatico liscio e detossificazione da xenobiotici 98 Inserto 2.6: Patologie mitocondriali 106 Inserto 2.7: Valore clinico dei lisosomi 113 Inserto 2.8: Una curiosità tra la biologia cellulare, la terapia, il cinema e l attualità: ovvero L olio di Lorenzo, un atto d amore 116 Inserto 2.9: Il gioco dei microtubuli 125 Capitolo 3 Energia: enzimi e metabolismo 137 Mitocondri 137 Principi di energetica 137 Organizzazione e funzione dei mitocondri 138 Glicolisi e fermentazione 144 Respirazione aerobia 148 Cloroplasti e fotosintesi 155 Inserto 3.1: Genoma mitocondriale 141 Inserto 3.2: Cellule vegetali 154 Capitolo 4 Flusso dell informazione e regolazione dell espressione genica 167 Replicazione del DNA 167 Introduzione 167 Esperimento di Meselson e Stahl 168 Caratteristiche generali della duplicazione del DNA 169 Replicazione nei batteri 172 Attività esonucleasica della DNA polimerasi III: la correzione di bozze 175 Replicazione negli eucarioti 176 Antigene nucleare di proliferazione cellulare (PCNA): un collegamento fra la duplicazione del DNA e il ciclo cellulare 181 Riparazione del DNA 182 Trascrizione e maturazione degli RNA 184 Introduzione 184 Caratteristiche generali della trascrizione 185 Trascrizione nei batteri 186 Maturazione degli RNA nei batteri 187 Trascrizione negli eucarioti 189 Problema del rimodellamento della cromatina 193 Maturazione dell mrna 194 Maturazione degli rrna e trna 197 Struttura e concetto di gene 199 RNA world 200 La struttura del codice genetico e la traduzione 200 Introduzione 200 Le proprietà del codice genetico 201 La decifrazione del codice e la direzione di lettura 203 L apparato di traduzione: i ribosomi ed i trna 205 La traduzione 208 La traduzione negli eucarioti 212 Come vengono incorporate la selenocisteina e la pirrolisina? 214 Folding e misfolding delle proteine 215 Genomica, trascrittomica e proteomica 216 Regolazione dell espressione genica 217 Introduzione 217 Procarioti 217 Eucarioti 222 Inserto 4.1: La complessità dei meccanismi di regolazione genica negli eucarioti. il recettore dell estradiolo 228 Inserto 4.2: L RNA: una molecola per molteplici funzioni 230 viii
Capitolo 5 Capitolo 7 Funzione cellulare e traffico intracellulare 231 Riproduzione e ciclo cellulare 333 Membrane e meccanismi di trasporto 231 La diffusione semplice: un movimento spontaneo delle molecole secondo gradiente di concentrazione 231 L osmosi: la diffusione dell acqua attraverso le membrane 232 La diffusione facilitata 233 Trasporto attivo 237 Il potenziale di membrana e l impulso nervoso 246 I meccanismi di segnalazione cellulare 259 Ligandi, recettori e trasduzione del segnale recettoriale 259 Meccanismi e vie dello smistamento di molecole 277 Smistamento delle proteine nei compartimenti cellulari ed endocitosi 277 Meccanismi di adesione cellulare 294 Adesione fra cellule e fra cellule e matrice extracellulare 294 Inserto 5.1: Trasportatori ABC e resistenza multipla ai farmaci (MultiDrug Resistance MDR) 243 Capitolo 6 Virus 311 Divisione cellulare 333 Ciclo cellulare 334 Differenti fasi del ciclo cellulare 334 Regolazione del ciclo cellulare 337 Complessità del ciclo cellulare dei mammiferi 343 Cicline D e controllo dell ambiente extracellulare sul ciclo cellulare 345 Mitosi 350 Profase 350 Prometafase 351 Metafase 352 Anafase 353 Telofase 355 Citochinesi 355 Meiosi 356 Meiosi I 357 Meiosi II 360 Significato essenziale dei processi di divisione cellulare 360 Apoptosi: la morte della cellula 362 Apoptosi e necrosi 363 Suscettibilità apoptotica 372 Inserto 7.1: L essenziale del ciclo cellulare e la sua regolazione 349 Inserto 7.2: Ancora differenze fra mitosi e meiosi, ciclo cellulare mitotico e meiotico 361 I virus: caratteristiche generali 311 Viroidi e prioni 319 Viroidi 319 Prioni 320 Genetica dei virus 321 Inserto 6.1: Morfologia e dimensioni dei virus 313 Inserto 6.2: La mappatura dei geni magici 329 Capitolo 8 Riproduzione degli organismi 373 Introduzione 373 La riproduzione asessuata 374 La riproduzione sessuata 376 Origine delle cellule della linea germinale 377 Differenziamento delle gonadi 378 Spermatogenesi 379 Ovogenesi 386 Differenze fra spermatogenesi ed ovogenesi 392 ix
Fecondazione 394 Ermafroditismo 400 Partenogenesi e metagenesi 400 Inserto 8.1: Testicolo oppure ovario? 380 Inserto 8.2: Non equivalenza dei pronuclei maschile e femminile, imprinting 392 Inserto 8.3: Fecondazione assistita 398 Inserto 8.4: Mitosi o meiosi, spermatozoi o ovociti, chi decide? 401 Capitolo 9 Elementi di biologia dello sviluppo 403 Dallo zigote all embrione 404 Caratteristiche delle uova 404 Sviluppo dell uovo di anfibi 405 Quali sono i movimenti dei territori presuntivi embrionali durante la gastrulazione? 407 Analisi sperimentale dell embrione di anfibi 409 Proprietà del labbro dorsale del blastoporo 410 Totipotenza e trapianto dei nuclei 411 Sviluppo dell uovo di uccelli 414 Analisi sperimentale dell embrione di uccelli 417 Sviluppo dell uovo di mammiferi 417 Analisi sperimentale dell embrione di mammiferi 421 Inserto 9.1: Geni e sviluppo embrionale 421 Inserto 9.2: Evoluzione e sviluppo embrionale 424 Capitolo 10 Genetica formale 427 La genetica generale ed umana 427 Il metodo e le prove sperimentali di Mendel 427 Caratteri singoli e la segregazione 432 Caratteri e assortimento indipendente 433 Esperienze mendeliane ieri ed oggi 434 Le leggi di Mendel 436 Caratteri mendeliani e reincrocio 437 La genetica oltre Mendel 438 Dominanza incompleta 439 Codominanza 440 Significato e valore della dominanza e della recessività 441 Allelia multipla 442 Pleiotropia 443 Interazione tra geni: l epistasi 444 Il linkage: esperienze di Morgan e associazione genica 447 Associazione completa ed associazione incompleta 452 Basi biologiche della ricombinazione 454 Complesso sinaptonemale, rotture a doppio filamento e crossing over 455 Mappe fisiche e mappe genetiche 457 Crossing over ineguale 457 Ambiente e geni 461 L ambiente e l espressione dei geni: penetranza ed espressività 461 Poligenia ed eredità quantitativa 463 Sesso e geni 467 Determinazione del sesso nelle specie animali 467 La trasmissione dei caratteri nella specie umana 476 Cromosomi umani e cariotipo 476 Studio dei caratteri ereditari umani 483 Eredità autosomica 486 Eredità associata al sesso 526 Eredità mitocondriale 542 Effetto materno 543 Inserto 10.1: Nasce la Genetica tra Johann Gregor Mendel ed altri della prima metà del XX secolo 428 Inserto 10.2: Interazione genica 445 Inserto 10.3: I geni letali 446 Inserto 10.4: Il linkage come strumento per lo studio del genoma umano 459 Inserto 10.5: Linkage disequilibrium 460 Inserto 10.6: Obesità 464 Inserto 10.7: Un diffuso, antico trasportatore di ossigeno: l emoglobina 497 Inserto 10.8: Proteine HLA e presentazione dell antigene 523 Inserto 10.9: Concetti di genetica di popolazione 545 x
Capitolo 11 Mutazioni: tipi, origini, conseguenze 547 Il materiale genetico, alleli, mutazione e variabilità 547 Mutazione: tipi e classificazione 548 Variazione della struttura del DNA 549 Mutazioni puntiformi 549 Mutazioni nelle regioni non codificanti del gene 553 Espansione delle ripetizioni di trinucleotidi 554 Mutazioni spontanee ed indotte. Agenti mutageni 556 Riparazione del DNA 561 Meccanismi di riparo del DNA 563 Danni al DNA ed invecchiamento 568 Variazioni della struttura dei cromosomi 569 Variazioni del numero dei cromosomi 579 Variazioni del numero dei cromosomi nella specie umana 583 Inserto 11.1: Retromutazione e mutazione a soppressore 567 Inserto 11.2: Una traslocazione criptica: un caso storico di letteratura 578 Inserto 11.3: La non disgiunzione e le sue conseguenze 580 Inserto 11.4: Disomia uniparentale 581 Inserto 11.5: Alcune tecniche di citogenetica molecolare per la identificazione di mutazioni 591 Capitolo 12 Genetica del cancro 593 Oncogeni e proto-oncogeni 595 Oncosoppressori 599 Geni mutatori 603 I progressi nella prevenzione, diagnosi e terapia del cancro: l importanza della biologia e genetica molecolare 604 Individuazione precoce di una lesione neoplastica 605 Determinazione della suscettibilità individuale al cancro per i tumori ereditari 605 Inserto 12.1: Biogenesi dei mirna 606 Inserto 12.2: Le cellule staminali tumorali 609 Capitolo 13 Introduzione 611 Metodologie in campo genomico e post-genomico 611 La tecnologia del DNA ricombinante 612 Estrazione degli acidi nucleici 612 Enzimi per la manipolazione degli acidi nucleici 612 Individuazione di specifiche sequenze di DNA e di RNA 618 Amplificazione di DNA in sistemi cellulari 624 Amplificazione di DNA in vitro 635 L analisi delle sequenze di DNA 641 Clonare i geni 645 Come identificare il clone corretto 650 Genomica 652 Strategie dell analisi genomica 653 Mappe genetiche: i polimorfismi del DNA 654 Mappe fisiche 657 Il Progetto Genoma Umano (HGP, Human Genome Project) 661 Genomica funzionale e comparativa 665 Il futuro della genomica 666 Post-genomica 667 Analisi genetica 667 Animali transgenici 671 Trascrittomica 674 Proteomica 677 Interattomica 683 Bioinformatica 686 Nascita ed evoluzione della Bioinformatica 686 L analisi di sequenze nucleotidiche e amminoacidiche 687 La bioinformatica in trascrittomica 700 La bioinformatica in proteomica 701 Bioinformatica e interattomica 704 Le applicazioni in campo medico 708 La diagnosi genetica 708 Infezioni da patogeni 711 Citogenetica molecolare 711 L impronta genetica 713 Farmacogenomica 715 La terapia genica 716 Clonazione animale 718 Inserto 13.1: Estrazione di DNA e RNA 613 xi
Inserto 13.2: Gel elettroforesi in agarosio 619 Inserto 13.3: Ibridazione molecolare in Southern blot 623 Inserto 13.4: Lo screening bianco-blu 626 Inserto 13.5: Il clonaggio del DNA 627 Inserto 13.6: Metodi per modificare le estremità del vettore o dell inserto 628 Inserto 13.7: La trasformazione batterica 631 Inserto 13.8:0 Fago lambda, YAC e BAC 633 Inserto 13.9:0 La PCR in pratica 638 Inserto 13.10: La PCR quantitativa (real time-pcr) 640 Inserto 13.11: La rappresentatività di una libreria genomica 646 Inserto 13.12: Sintesi di cdna partendo da mrna e allestimento di librerie di cdna 648 Inserto 13.13: Strategie di sequenziamento 653 Inserto 13.14: La FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) 657 Inserto 13.15: Principi base per l allestimento di ibridi cellulari 659 Inserto 13.16: I progetti genomici 662 Inserto 13.17: Approcci integrati per definire la funzione di un gene 668 Inserto 13.18: Il meccanismo dell RNAi 669 Inserto 13.19: Frazionamento di miscele proteiche 679 Inserto 13.20: Identificazione delle proteine 681 Inserto 13.21: La tecnica del doppio ibrido in lievito 684 Inserto 13.22: Gli SNPs e gli studi di associazione 696 xii