Le cellule una breve introduzione

I biologi, al momento attuale, non sono in grado di risolvere il problema se i primi microfossili fossero eterotrofi o autotrofi, ma è certo che, senza l'evoluzione degli autotrofi, la vita sulla Terra sarebbe presto cessata, cioè perché hanno consentito la formazione della biosfera attuale (introduzione dell'ossigeno).

La teoria cellulare

Parola "cellula" usata la prima volta circa 300 anni fa da Hooke che usando un microscopio notò nel sughero delle piccole cavità separate da pareti a cui diede il nome di cellule ("piccole stanzette).

Il significato attuale cioè unità di base della materia vivente fu assunto solo 150 anni dopo.

Contributi:

Schleiden (1804-1881) botanico tedesco, disse che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule;

Schwann, zoologo, estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali;

Virchow (1821-1902) affermò che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti.

La Teoria cellulare stabilisce che:

Tutti gli organismi viventi sono formati da una o più unità viventi dette cellule;

Ogni cellula può mantenere le sue capacità vitali indipendentemente dalle altre, ma le proprietà vitali di ciascun organismo dipendono dalle capacità vitalità di tutte le sue cellule;

La cellula è la più piccola entità vivente individuabile e indipendente. Contengono le informazioni ereditarie degli organismi di cui fanno parte, le quali passano inalterate dalla cellula madre alla cellula figlia.;

Le cellule hanno origine soltanto da altre cellule.

Procarioti ed Eucarioti

Tutte le cellule hanno due caratteristiche fondamentali:

la membrana cellulare o membrana plasmatici che separa la cellula dal suo ambiente esterno;

il materiale genetico che dirige le attività di una cellula e le consente di riprodursi, trasmettendo i suoi caratteri ereditari ai discendenti.

L'organizzazione del materiale genetico è diverso in alcune cellule:

nelle cellule procariote è presente sotto forma di una grossa molecola circolare di DNA, alla quale sono strettamente associate diverse proteine (cromosoma), inoltre il cromosoma non è contenuto in un nucleo avvolta da membrana, ma è collocato in una particolare sona detta nucleoide;

nelle cellule eucariote il DNA è lineare e dà luogo a un determinato numero di cromosomi, inoltre è strettamente legato a particolari proteine dette istoni che sono parte integrante della struttura del cromosoma. Inoltre i cromosomi sono circondati da una doppia membrana, la membrana nucleare si forma il nucleo.

Le restanti componenti cellulari costituiscono il citoplasma che contiene una grande varietà di molecole di strutture molecolari (ribosomi, mitocondri ecc..).

La membrana cellulare dei procarioti è circondata da una parete cellulare esterna che è fabbricata dalla cellula stessa, mentre la maggior parte delle cellule eucariote non hanno parete cellulare. Inoltre le cellule esucariote sono normalmente più grandi di quelle procariote.

I procarioti moderni sono i batteri e i cianobatteri.

Si pensa che i primi organismi viventi erano cellule relativamente semplici, somiglianti ai procarioti attuali.

Origini della pluricellularità

I primi organismi pluricellulari risalgono a dei fossili di 750 milioni di anni fa.

Le cellule degli organismi pluricellulari differiscono dagli eucarioti unicellulari in quanto ogni tipo di cellula è specializzao nel compiere una funzione sp 444d36e ecifica nella vita dell'organismo. Ciò nonostante, ognuna rimane un'unità piuttosto autosufficiente.

Forme di vita

Esiste un'incredibile varietà di forme viventi. Questi organismi presentano una grande varietà nell'organizzazione delle loro strutture, nella modalità di riproduzione, di crescita e di sviluppo e nel loro comportamento.

È possibile raggruppare gli organismi viventi secondo criteri che rivelino non solo modelli di somiglianze e differenze, ma anche le relazioni evolutive tra gruppi differenti.

Il primo regno è quello delle monere, comprende tutti i procarioti, ossia batteri, cianobatteri e forme affini.

Il secondo regno è quello dei protisti, comprende gli eucarioti unicellulari e anche un certo numero di semplici organismi eucarioti pluricellulari, comprende sia eterotrofi sia autotrofi.

Si pensa che i tre regni di organismi pluricellulari (funghi, piante e animali) si siano evoluti da tipi differenti di eucarioti unicellulari. (vedi poi).

Come sono organizzate le cellule

Forma e dimensione delle cellule

Le cellule procariote sono, in media, lunghe 2 micrometri, mentre le cellule eucariote hanno un diametro tra 10 e 30 micrometri.

Il limiti principali della dimensione delle cellule:

rapporto tra area superficiale e volume. Più diminuisce il volume, più aumenta rapidamente il rapporto tra superficie e volume. Le sostanze che entrano ed escono dalla cellula, debbono attraversare la superficie della membrana. Queste sostenza sono i materiali di base e i prodotti del metabolismo cellulare (insieme di tutte le attività chimiche che avvengono nella cellula stessa). Più è attivo il metabolismo più velocemente devono avvenire gli scambi. Nelle cellule più piccole, il rapporto tra area superficiale e volume è maggiore che nelle cellule più grandi in uno stesso periodo di tempo riescono a trasportare più quantità di sostanze le cellule metaboliche più attive sono in genere piccole;

capacità del nucleo di fornire copie sufficienti delle informazioni genetiche, necessarie a regolare i processi che si svolgono in una cellula grande e metabolicamente attiva.

Le cellule tendono ad assumere una forma sferica. Cause che determina la forma di una cellula:

è determinata dalla parete cellulare;

la vicinanza di più cellule esercita una pressione sulle loro pareti;

disposizione dei filamenti posti al loro interno.

I confini della cellula

La membrana cellulare

Ha uno spessore che varia tra i 7 e i 9 nanometri. La struttura di base è costituita da un doppio strato fosfolipidico, ossia un doppio strato di molecole fosfolipidiche disposte con le loro code idrofobe (cioè insolubili in acqua) di acidi grassi verso l'interno.

Contiene anche numerose molecole proteiche sospese nel doppio strato lipidico, note come proteine integrali di membrana. Si estendono, di solito, attraverso il doppio strato e sporgono da entrambe le parti. Le porzioni immerse nel doppio strato hanno superfici idrofobe, mentre le superfici delle porzioni che sporgono dal doppio strato sono idrofile (solubili in acqua). Sul lato citoplasmatico altre molecole proteiche, note come proteine periferiche di membrana, aderiscono ad alcune delle proteine integrali sporgenti.

Le molecole lipidiche e alcune delle molecole proteiche si possono muovere lateralmente all'interno del doppio strato, formando configurazioni diverse (mosaici) che variano di volta in volta e di luogo in luogo modello a mosaico fluido.

Specificità della membrana

Le due superfici della membrana cellulare presentano considerevoli differenze nella composizione chimica:

lo strato esterno è particolarmente ricco di glicolipidi le catene di carboidrati di queste molecole sporgono, come le teste fosfato dei fosfolipidi, dalla superficie della membrana, mentre le code idrofobe contenenti acidi grassi si trovano all'interno.

Anche la composizione proteica dei due strati della membrana è differenze:

le proteine integrali di membrana hanno un orientamento preciso e le regioni che sporgono da due lati sono del tutto diverse sia per la composizione degli aminoacidi sia per la loro struttura terziaria. Sul lato esterno ad esse sono legate corte catene di carboidrati che formano molecole dette glicoproteine si pensa che i carboidrati (sia glicolipidi che glicoproteine) influiscono sull'adesione delle cellule l'una all'altra e nel riconoscimento delle molecole che interagiscono con le cellule;

le proteine periferiche di membrana svolgono funzioni essenziali:

o    sono enzimi e regolano specifiche reazioni chimiche;

o    sono recettori e sono coinvolte nel riconoscimento di ormoni e di altre molecole regolatrici;

o    sono proteine di trasporto e giocano un ruolo chiave nel movimento di ioni e molecole attraverso la membrana.

La parete cellulare

Distinzione di fondo tra cellule vegetali e animali è che le prime sono circondate da una parete cellulare che è esterna alla membrana ed è costruita dalla cellula.

Quanto una cellula vegetale si divide, tra le membrane delle due nuove cellule si forma un sottile strato di materiale colloso che darà origine alla lamella mediana, formata da pectina e da altri polisaccaridi, che tengono unite cellule adiacenti. Poi, su ogni lato della lamella mediana, ogni cellula vegetale costruisce la sua parete primaria. Durante la sua vita la cellula aggiunge nuove sostanze alle sue pareti causando il processo di allungamento, ma si espando solo in una direzione.

A mano a mano che matura, la cellula può formare una parete secondaria che però non è capace di espandersi, spesso essa contiene molecole che conferiscono rigidità alla cellula.

Il nucleo

È circondato da una membrana nucleare, costituita da due membrane, ognuna delle quali è un doppio strato fosfolipidico. Queste due membrane sono fuse insieme a intervalli frequenti, creando piccoli pori nucleari attraverso i quali è possibile il passaggio di sostanze tra il nucleo e il citoplasma. I cromosomi si trovano all'interno del nucleo. Quando la cellula non è in divisione, i cromosomi sono visibili soltanto come una massa di sottili filamenti, detta cromatina. La struttura più evidente all'interno del nucleo è il nucleolo che è il sito di costruzione delle subunità ribosomiche.

Le funzioni del nucleo sono:

porta le informazioni ereditarie che determinano lo sviluppo di una cellula. Ogni volta che una cellula si divide, queste informazioni passano alle due nuove cellule;

esercita una continua influenza sulle attività svolte dalla cellula, assicurandole il rifornimento di molecole complesse del tipo richiesto e in quantità precise (proteine, ecc..);

Il citoplasma

La parte fluida del citoplasma, detta citosol, è una soluzione concentrata di ioni, di piccole molecole (aminoacidi, zuccheri e ATP) e di proteine. Inoltre contiene numero ribosomi che sono dei complessi RNA-proteine che hanno un ruolo fondamentale nella sintesi delle molecole proteiche a partire dai relativi amminoacidi.

Nella maggior parte delle cellule eucariote circa metà del citoplasma è costituito da compartimenti circondati da membrane chiamate organuli. Ogni organulo svolge le sue proprie funzioni. Essi sono tenuti fermi dentro al citosol da una rete di filamenti proteici che formano un citoscheletro interno. Queste fibre mantengono la forma della celula, le consentono di muoversi e dirigono il traffico molecolare.

Vacuoli e vescicole: sostegno e trasporto

Soprattutto le cellule vegetali contengono delle strutture dette vacuoli una cavità citoplasmatica circondata da una membrana e piena d'acqua e di soluti esso (di solito si riunisce in un unico vacuolo gigante al centro della cellula) diventa il principale elemento di sostegno della cellula.

Le vescicole si trovano in tutte le cellule eucariote metabolicamente attive. Hanno la stessa struttura generale dei vacuoli ma sono molto più piccole. Svolgono la funzione di trasporto sia all'interno che all'esterno.

Ribosomi e reticolo endoplasmatico: biosintesi delle proteine e dei lipidi

I ribosomi sono i siti presso cui gli amminoacidi vengono assemblati in proteine. Nelle cellule eucariote i ribosomi si trovano nel citosol (come in quelle procariote), ma anche attivati al reticolo endoplasmatico.

Il RE è una rete di sacchi appiattiti, tubuli e canali connessi tra loro. Ci sono due tipi:

quello granulare o ruvido con attaccati i ribosomi RER;

quello liscio senza ribosomi REL;

Il RER è collegato allo strato esterno della membrana nucleare (provvista anch'essa di ribosomi), mentre il REL non è altro che una continuazione del RER. La quantità e le relative percentuali in una cellula non sono fisse, in generale comunque il RER è più abbondante.

La sintesi delle proteine ha inizio sempre sui ribosi che si trovano nel citosol. Poi in base al tipo di proteine possono essere sintetizzate nel citosol (come l'emoglobina) altre possono uscire dalla molecola. Alcune proteine sono delle componenti essenziali degli organuli, delle membrane di organuli o della membrana cellulare. La loro sintesi è;

nel citosol viene prodotta una sequenza "leader" di amminoacidi idrofobi, detta sequenza segnale;

la sequenza segnale dirige le proteine che ristanno formando e i ribosomi che stanno prendendo parte allo loro sintesi verso il regioni specifiche del RE;

i ribosomi si attaccano al reticolo e gli amminoacidi della sequenza segnale facilitano il passaggio delle proteine attraverso il doppio strato lipidico verso la cavità interna del RE (processo che avviene grazie all'energia fornita da ATP);

quando le proteine sono complete, i ribosomi si staccano e ritornano nel citosol, mentre le proteine escono dal RER attraverso uno speciale RE di transizione vengono avvolte in vescicole di trasporto destinate all'apparato di Golgi.

Apparato di Golgi: elaborazione, imballaggio e distribuzione

È costituito da pile di sacchi appiattiti, limitati da membrane e circondati da tubuli e da vescicole.

Funzioni:

ricevere le vescicole provenienti dal reticolo endoplasmatico;

modificare le membrane e i contenuti delle vescicole;

inglobare i prodotti finali in vescicole di trasporto che convogliano questi prodotti in altre parti della cellula.

I lipidi e le proteine di membrana, sintetizzati nel RER, sono trasportati verso l'apparato di Golgi in vescicole che si fondono con esso. All'interno dei sacchi dell'apparato avviene l'assemblaggio finale dei carboidrati con le proteine (glicoproteine) e con i lipidi (glicolipidi). Al termine il materiale viene imballato in vescicole che hanno per meta un sito preciso (la membrana cellulare o la membrana di un particola organulo.

Svolge anche la funzione di elaborare e imballare i materiali che vanno esportati alla cellula

Lisosomi:demolizione e riciclaggio

L'Apparato di Golgi produce anche un tipo di vescicole chiamate lisosomi. Sono sacchi membranosi che racchiudono enzimi coinvolti in reazioni di idrolisi (fino a 50 max). Al loro interno gli enzimi demoliscono proteine, polisaccaridi e lipidi. Le piccole molecole risultanti vengono riportate nel citosol per essere riutilizzate. Un'altra funzione è quella dei globuli bianchi (linfociti) del corpo umano che inglobano batteri.

La membrana di un lisosoma separa gli enzimi idrolitici dal resto della cellula, altrimenti essa verrebbe distrutta completamente.

Cloroplasti e mitocondri: fabbriche cellulari di energia

Gli autotrofi fotosintetici catturano l'energia radiante del Sole e la trasformano in energia chimica immagazzinata in molecole organiche mediante il processo di fotosintesi, che richiede speciali pigmenti la clorofilla. La fotosintesi ha luogo soltanto quando le molecole di clorofilla si trovano inserite in una membrana cloroplasto.

Tute le cellule eucariote possiedono mitocondri che sono anch'essi degli organuli circondati da membrana. In essi avviene il processo di respirazione cellulare, in cui sono demolite molecole ricche di energia mediante l'utilizzo di ossigeno che causa la liberazione di energia, utilizzata per "ricaricare" molecole di ADP (adenosindifosfato) in ATP (adenosintrifosfato). (Per i processi vedi più avanti).

Citoscheletro: sostegno strutturale e motilità

Principali costituenti del citoscheletro sono tre:

Filamenti di actina: sono sottilissime fibre proteiche formate da molecole di proteina globulare l'actina. Sono spesso uniti in fasci, chiamati fibre di tensione che si allungano attraverso il citoplasma. I filamenti sono ancorati a particolari proteine integrali della membrana citoplasmatica e il loro assemblaggio inizia presso questi punti di ancoraggio. Svolgono un'importante funzione nelle divisione cellulare;

Filamenti intermedi (dimensioni intermedie) sono composti da proteine fibrose. In molte cellule si irradiano dalla membrana nucleare. Si trovano in quantità maggiori nelle cellule che sono sottoposte a una tensio di tipo meccanico (come quelle della pelle). Funzioni non ancora ben chiare;

Microtubuli sono le strutture più grosse. Sono formate da tubi cavi composti da due differenti tipi di molecole, la tubulina alfa e al tubulina beta. Queste molecole sono unite per formare dimeri solubili che si autoassemblano poi in tubuli cavi insolubili. Determinano la posizione degli organi all'interno della cellula e aiutano a dirigere il movimento sia degli organuli sia delle vescicole; divisione cellulare.

Il citoscheletro è una struttura dinamica di sostegno che si modifica e si sposta a seconda delle attività della cellula e le consente di muoversi. Sono stati identificati due differenti meccanismi molecolari di movimento cellulare:

Assemblaggio di proteine contrattili in cui i filamenti di actina sono i principali componenti. Questi filamenti infatti partecipano al movimento interno dei contenuti cellulari e al movimento della cellula stessa;

Strutture locomotorie permanente, ciglia e flagelli, che derivano dall'assemblaggio di microtubuli.

Ciglia e flagelli

Sono strutture lunghe e sottili che si estendono dalla superficie di molti tipi di cellule eucariote e che differiscono tra loro solo per la lunghezze: corte e numerose sono chiamate ciglia; lunghe e poco numerose flagelli.

Quasi tutti presentano la stessa struttura interna: nove coppie di microtubuli, l'uno aderente all'altro, formano una specie di cilindro che circonda altri due microtubuli centrali (9+2). Il movimento delle ciglia e ei flagelli deriva dall'interno delle strutture stesse, ed è causato dal gatto che ogni coppia esterna di microtubuli si muove trainando la coppia più vicina. Alcune proteine sono interessate nella formazione di raggi che collegano le nove coppie di microtubuli e che sembrerebbero coordinare i movimenti di trazione, mentre le altre connessioni limitano l'eventuale scivolamento, trasformandolo in un movimento di flessione.

Non tutte le ciglia e flagelli sono affidati al movimento, alcune servono anche per pulire la superficie cellulare.

Si originano dal corpo basale costituito da microtubuli ma con una disposizione ed un numero differente, contengono nove triplette di microtubuli e sono prive della coppia interna.

I centrioli hanno la stessa struttura interna dei corpi basali e sono presenti solo negli organismi che hanno anche ciglia o flagelli.

Come le sostanze entrano ed escono dalle cellule

In tutti i sistemi viventi la regolazione degli scambi di sostanze fra organismo vivente e mondo non vivente si verifica a livello di ogni singola cellula e viene realizzata attraverso la membrana cellulare. È di fondamentale importanza il controllo di questi scambi per:

difendere l'integrità di ogni cellula;

mantenere nei limiti quelle condizioni di pH e di concentrazione di ioni che permettono alle attività metaboliche di aver luogo;

coordinare le attività delle diverse cellule.

Per far ciò le membrane della cellula devono assolvere due complesse funzioni:

tenere fuori alcune sostanze facendone entrare altre;

trattenere dentro delle sostanze, facendone uscire altre.

Ciò dipende:

dalle proprietà fisiche e chimiche della struttura delle sue proteine e dei suoi lipidi;

dalle proprietà chimiche e fisiche degli ioni e delle molecole che interagiscono con la membrana.

Tra questi il più importante è l'acqua.

Movimento dell'acqua e dei soluti

L'energia potenziale dell'acqua è generalmente detta potenziale idrico. L'acqua si sposta da una regione a potenziale idrico maggiore a una regione a potenziale idrico minore.

Nelle soluzioni il potenziale idrico è influenzato dalla concentrazione delle particelle disciolte (soluti). Più aumenta la concentrazione delle particelle dei soluti, più diminuisce la concentrazione delle molecole d'acqua (cioè il numero di molecole d'acqua per unità di volume di soluzione) e viceversa. In assenza di altri fattori (pressione) le molecole d'acqua presenti nelle soluzioni si muovono da regioni a minore concentrazione dei soluti (maggiore potenziale idrico) a regioni a maggiore concentrazione di soluti (minore potenziale idrico).

La misura di potenziale idrico è di solito calcolata in termini di pressione richiesta per arrestare il movimento dell'acqua pressione idrostatica, si misura in atmosfere.

Al movimento dell'acqua e dei soluti sono interessati due meccanismi: il flusso di massa e la diffusione.

Flusso di massa

È il movimento complessivo di un liquido; le molecole si muovo tutte insieme e nella stessa direzione

Diffusione

Le sostanze che si spostano da una regione in cui la concentrazione delle loro molecole è maggiore a una regione in cui la concentrazione è minore si muovono secondo gradiente, mentre quelle che si spostano nella direzione opposta si muovono contro gradiente. La diffusione avviene soltanto secondo gradiente: più è grande la differenza di concentrazione più veloce è la diffusione.

La distribuzione uniforme non influisce sul comportamento delle singole molecole; esse continueranno ancora a muoversi a caso e poiché i movimenti sono casuali, tante molecole andranno verso destra quante ne andranno verso sinistra non c'è alcun movimento netto si è raggiunto l'equilibrio dinamico.

Caratteristiche essenziali:

ogni molecola, o ione, si muove indipendentemente dalle altre;

i movimenti sono sempre casuali.

Il risultato netto della diffusione è che le sostanze che diffondono si distribuiscono uniformemente.

La diffusione è anche il principale meccanismo mediante il quale le sostanze si spostano all'interno delle cellule. Perché la diffusione sia efficiente occorre non solo che si verifichi su distanze relativamente piccole (ciò limita le dimensioni delle cellule) ma che ci sia anche un alto gradiente di concentrazione che è mantenuto grazie alle attività metaboliche, accelerando in questo modo la diffusione.

Osmosi: un particolare tipo di diffusione

Una membrana che permette il passaggio di alcune sostanze, mentre impedisce il passaggio di altre è detta selettivamente permeabili. Il movimento di molecole d'acqua attraverso una membrana di questo tipo è un caso speciale di diffusione chiamato osmosi. Questo processo consiste in un trasferimento netto di acqua da una soluzione che ha potenziale idrico maggiore a una soluzione che ha potenziale idrico minore il movimento (in assenza di altri fattori) avverrà da una regione di minore concentrazione di soluto a una con maggiore concentrazione di soluto.

Attenzione, la diffusione dell'acqua non è influenzata da che cosa è disciolto in essa, ma da quanto è discolto dalla concentrazione di particelle di soluto presenti nell'acqua.

Due o più soluzioni che hanno un ugual numero di particelle disciolte per unità di volume (stesso potenziale idrico) sono dette isotoniche non vi è un movimento netto di acqua. Le soluzione meno concentrate di soluto sono ipotoniche, quelle più concentrate (minore potenziale idrico) ipertoniche.

Di conseguenza nell'osmosi le molecole d'acqua vanno da una soluzione ipotonica ipertonica.

Se delle barriere fisiche impedissero l'aumento di volume della soluzione ipertonica conseguente all'opporto di acqua per osmosi, si verificherebbe un aumento della resistenza dovuto alle molecole dell'acqua ciò è causato da un incremento della pressione che gradualmente fa aumentare il potenziale idrico della soluzione ipertonica aumentando la pressione, rallenterà il movimento netto delle molecole d'acqua.

La pressione osmotica è la pressione richiesta per arresta il movimento osmotico dell'acqua all'interno di una soluzione. Rappresenta la misura del potenziale osmotico della soluzione, cioè della tendenza dell'acqua ad attraversare una membrana maggiore è la tendenza dell'acqua a spostarsi, maggiore sarà la pressione richiesta.

Il turgore è la pressione dell'acqua che si esercita dall'interno sulle pareti cellulari delle cellule vegetali. Esso mantiene rigida la parete cellulare, mantenendo eretta la pianta; quando il turgore diminuisce, in seguito a una perdita di acqua, la pianta si avvizzisce.

Trasporto per mezzo di proteine

Le membrane cellulari sono permeabili a quelle sostanze come l'acqua, l'ossigeno e l'anidride carbonica, che le attraversano facilmente per diffusione. Molti ioni e molte molecole polari, non possono passare attraverso la fascia idrofobia posta all'interno del doppio strato lipidico. Il trasporto di queste sostanze dipende dalle proteine integrali di membrana, che agiscono come vettori trasportando le molecole nelle due direzioni. Le proteine trasportatrici della membrana cellulare e delle membrane degli organuli sono altamente selettive.

Alcune proteine possono far passare le sostanze attraverso la membrana soltanto se c'è un gradiente di concentrazione favorevole (secondo gradiente), questo tipo di trasporto è detto diffusione facilitata è di tipo passivo. Altre però possono spostare le molecole contro un gradiente di concentrazione, questo è un processo detto trasporto attivo e richiede il dispendio di energie fornita sotto forma di ATP.

Esistono tre tipi di molecole di trasporto:

Uniporto un particolare soluto è trasportato direttamente attraverso la membrana in un'unica direzione;

Sistema di contrasporto che si divide in:

a.    Simporto due differenti soluti sono trasportati attraverso la membrana, contemporaneamente e nella stessa direzione;

b.   Antiporto due differenti soluti sono trasportati attraverso la membrana, contemporaneamente o uno dopo l'altro, ma in direzioni opposte.

Esempio di trasporto attivo: la pompa sodio-potassio

La maggior parte delle cellule animali mantiene, ai due lati della membrana cellulare, un gradiente di concentrazione di ioni sodio (Na⁺) e di ioni potassio (K⁺) assai differente. Quella di Na⁺ all'esterno è almeno 14 volte superiore rispetto all'interno; mentre i K⁺ all'interno sono da 10 a 30 volte superiore rispetto all'esterno (in base al tipo di cellula).

Questi gradienti sono importanti per:

il mantenimento dell'equilibrio osmotico;

controllo del volume della cellula

Vengono prodotti da un sistema di trasporto attivo detto pompa sodio-potassio.

Essa usufruisce di ATP.

Il pompaggio degli ioni Na⁺ e K⁺ è effettuato da una proteina di trasporto che può avere due configurazioni alternative, si tratta di un trasporto antiporto. Il processo è il seguente:

Nella configurazione iniziale ha una cavità che si apre verso l'interno della cellula e in essa si lega uno ione Na⁺. Contemporaneamente l'idrolisi di ATP in ADP consente di attaccare un gruppo fosfato alla proteina;

Ciò fa assumere alla proteina la seconda configurazione (una cavità aperta verso l'esterno) lo ione Na⁺ viene liberato all'esterno, e alla proteina si attacca lo ione K⁺ che determina la liberazione del gruppo fosfato;

Ciò produce il ritorno alla configurazione iniziale lo ione K⁺ viene rilasciato all'interno e la cavità rimane libera pronta ad accettare un altro ione Na⁺.

Trasporto mediato da vescicole

Le proteine di trasporto che fanno passare ioni e piccole molecole polari attraverso la membrana cellulare non possono adattarsi a molecole grandi, come proteine e polisaccaridi, che vengono trasportate da vesciole o vacuoli che fuoriescono dalla membrana cellulare.

Vi sono diversi processi:

Esocitosi, in cui le sostanze vengono esportata dlla cellula all'interno di vescicole prodotte dagli apparati di Golgi. Le vescicole si spostano verso la superficie della cellula e si fondono con la membrana cellulare espellendo il loro contenuto;

Endocitosi (processo inverso) in cui la sostanza che deve essere trasportata alla'interno della cellula fa ripiegare verso l'interno la membrana producendo un vacuolo che racchiude la sostanza che viene poi liberata nel citoplasma. Può essere di tre tipi:

o    Fagocitosi: avviene con sostanze solide. Il contatto provoca un'estenzione della membrana cellulare intorno alla particella che viene racchiusa in un vacuolo. Uno o più lisosomi si fondono successivamente col vacuolo, immettendo al suo interno i loro enzimi idrolitici, rompendo la membrana del vacuolo;

o    Pinocitosi: avviene con sostanze liquide. La membrana si ripiega all'interno producendo una vescicola intorno alla sostanza liquida che deve essere introdotta. Questo processo si attua in tute le cellule eucariote;

o    Endocitosi mediata da recettori: particolari proteine di membrana vengono utilizzate come recettori di specifiche molecole che devono essere trasportate dentro alla cellula. I recettori sono localizzati in zone specifiche in cui il lato citoplasmatica della membrana cellulare è caratterizzato da una proteina periferica di membrana nota come clatrina. Queste zone sono leggermente dentellate e sono conosciute come "fossette rivestite". Una volta riempita di recettori legati alle rispettive molecole, la fossetta dà origine a una vescicola.

Giunzioni cellula-cellula

È importante che negli organismi pluricellulari ogni singola cellula possa comunicare con un'altra affinché entrambe possano collaborare per fare in modo che i tessuti e gli organi siano un insieme armonico. Queste comunicazioni sono effettuate per mezzo di segnali chimici, sostanze che vengono trasportate fuori da una cellula e si spostano verso un'altra cellula. Queste sostanze possono essere: trasportate all'interno; legarsi a specifici recettori di membrana possono innescare cambiamenti chimici all'interno di quella cellula.

Spesso le cellule di un tessuto o di un organo sono strettamente impacchetta. Nelle piante si formano dei canali chiamati plasmodesmi che attraversano le pareti, mettendo direttamente in collegamento il citoplasma con le cellule adiacenti. Nei tessuti animali vi sono delle giunzioni comunicanti che permettono il passaggio di sostanze fra le cellule (ioni, piccole molecole). Sono inseriti nella membrana cellulare di due cellule adiacenti, hanno una struttura costituita da sei identiche subunità proteiche di membrana, sistemate in modo da costituire un esagono cavo al centro si crea un canale tra i due citosol.

Il Flusso di energia

Le cellule possono essere meglio comprese se le si considera come un sistema complesso atto a trasformare energia.

La struttura di un ecosistema (cioè l'insieme di tutti gli organismi viventi di un particolare luogo e i fattori non viventi con cui essi interagiscono) è determinata dagli scambi di energia che avvengono tra i gruppi di organismi presenti all'interno di essa.

Le leggi della termodinamica

Prima legge della termodinamica: l'energia può essere trasformata da una forma a un'altra, ma non può essere né creata né distrutta.

Però in tute le trasformazioni una parte dell'energia utilizzabile viene convertita in calore e dissipata come tale.

Se si tiene conto dell'energia complessiva del sistema e del suo ambiente circostante, si può affermare che dopo la trasformazione, l'energia è uguale all'energia complessiva presente prima che la trasformazione abbia luogo. In questo modo basta considerare le energie "entrate" e quelle "uscite".

Seconda legge della termodinamica: in tutte le trasformazioni e scambi energetici, se il sistema è chiuso, l'energia potenziale presente alla fine sarà sempre minore dell'energia potenziale presente all'inizio.

Un processo che presenta, alla fine, un'energia potenziale minore di quella iniziale, viene chiamato esoergonico libera energia (reazioni spontanee);

Un processo che presenta, alla fine, un'energia potenziale maggiore di quella iniziale, è detto endoergonico necessità di energia affinché venga attivato.

Un altro fattore da tenere in considerazione è il disordine: maggiore sarà il disordine minore risulterà l'energia potenziale. Questo disordine è detto entropia tutti i fenomeni fisici tendono al disordine o alla casualità, affinché ci sia ordine occorre un dispendio di energia.

La terra è un sistema aperto a differenza dell'Universo che è un sistema chiuso. Infatti essa riceva la luce dal Sole (energia solare) che gli organismi fotosintetici sono in grado di trasformare in energia chimica (convertendo molecole piccole e semplici in molecole complesse).

Reazioni di ossido-riduzione

In molte reazioni gli elettroni passano da un atomo o da una molecola a un altro atomo o molecola reazioni redox.

La perdita di un elettrone è chiamata ossidazione, perché l'atomo che perde l'elettrone si ossida;

L'acquisto di un elettrone è chiamato riduzione.

Ossidazione e riduzionie hanno sempre luogo contemporaneamente perché un elettrone perduto dall'atomo ossidato viene accetta da un altro atomo, che a sua volta si riduce.

Spesso l'elettrone viaggia con un protone l'ossidazione consisterà nella rimozione di atomi di idrogeno e la riduzione nell'accettazione di questi atomi.

Ossidazione del glucosio

gli elettroni passano a un livello di energia più basso si ha liberazione di energia.

Nel processo di fotosintesi gli atomi di idrogeno sono trasferiti dall'acqua all'anidride carbonica, riducendo in questo modo l'anidride carbonica per formare glucosio:

Nei sistemi viventi però non avviene esattamente l'ossidazione del glucosio in quanto la maggior parte dell'energia sarebbe sprecata trasformandosi in energia termica l'energia viene accumulata in legami chimici particolari e liberata da essi in piccole quantità in base alle esigenze della cellula (ATP).

Enzimi

Tutte le reazioni necessitano di energia affinché possano avvenire. L'energia aumenta l'energia cinetica delle molecole, facendo sì che si urtino con forza sufficiente per:

vincere la forza di repulsione che c'è tra gli elettroni che circondano una molecola e gli elettroni che girano introno all'altra;

spezzare i legami chimici presenti all'interno delle molecole.

L'energia che le molecole devono possedere per poter reagire è detta energia di attivazione. Questa energia può essere abbassata mediante l'utilizzo di un catalizzatore. Catalizzatori speciali che utilizzano le cellule sono gli enzimi.

Durante il processo un catalizzatore non subisce alterazioni permanenti può essere usato più volte.

La molecola su cui agisce un enzima è detta substrato.

Struttura e funzione degli enzimi

Alcuni enzimi sono molecole di RNA mentre tutti gli altri sono proteine globulari complesse, formate da una o più catene polipeptidiche, che sono ripiegate in modo da formare sulla loro superficie una depressione in cui si incastra il substrato. Questa parte della molecola, in cui avvengono le reazioni catalizzate dall'enzima è detta sito attivo.

Soltanto pochi amminoacidi dell'enzima fanno parte di un determinato sito attivo.

Si è scoperto che il sito attivo è flessibile il legame tra enzima e substrato modifica la conformazione dell'enzima, provocando un forte adattamento del sito attivo al substrato.

Cofattori dell'azione enzimatica

Molti enzimi richiedono la presenza di altre sostanze non proteiche per poter svolgere le loro funzioni che sono chiamate cofattori. Esistono vari tipi di cofattori:

ioni: come lo ione magnesio (Mg²⁺) che è necessario in tutte le reazioni enzimatiche che riguardano il trasferimento di un gruppo fosfato da una molecola a un'altra;

molecole organiche non proteiche chiamate coenzimi e si legano, temporaneamente o permanentemente all'enzima, in genere molto vicino al suo sito attivo;

alcuni coenzimi, funzionano come accettori di elettroni nelle reazioni di ossido-riduzione, acquistando elettroni e trasferendoli a un'altra molecola. Vi sono vari tipi ciascuno in grado di trattenere gli elettroni a un livello di energia leggermente differente. Un coenzima può accettare elettroni in una certa reazione e poi liberarli in un'altra; ciò consente alla cellula di catturare energia in maniera efficiente via via che gli elettroni passano dai livelli energetici più alti a quelli che hanno minore energia.

Sequenze biochimiche

Caratteristica degli enzimi è quella di lavorare in serie ogni enzima catalizza un piccolo passaggio di una serie ordinata di reazioni detta sequenza biochimica.

Vantaggi:

confinare in specifiche regioni cellulari gruppi di enzimi che prendono parte ad una stessa sequenza;

limitato accumulo di prodotti intermedi ogni prodotto tende a essere riutilizzato subito nella reazione successiva.

Valuta energetica della cellula: ATP

Il glucosio e altri carboidrati sono la forma di accumulo dell'energia e anche la forma nella quale l'energia è trasferita da cellula a cellula e da organismo a organismo. L'ATP è la valuta energetica della cellula spendibile immediatamente.

È costituito da una base azotata, (l'adenina) da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, il ribosio, e da tre gruppi fosfato che sono legati tra loro tramite legami covalente che si spezzano facilmente liberando una quantità d'energia sufficiente ad azionare molte delle reazioni fondamentali della cellula. In questo modo la molecola di ATP (adenosin trifosfato) si trasforma in ADP (adenosin difosfato) e si liberano circa 7 kilocalorie di energia per mole (guadagno puro).

ATP in azione

Nelle reazioni di biosintesi in cui molecole più grandi e complesse vengono sintetizzate da molecole più piccole e semplici, è necessario oltre all'energia di attivazione un ulteriore apporto di energia, sono processi endoergonici.

Le cellule riescono a evitare questa difficoltà grazie a reazioni accoppiate, in cui le reazioni endoergoniche sono abbinate a reazioni esoergoniche che forniscono un surplus di energia, consentendo così al processo di avvenire. La molecola che più frequente fornisce l'energia per queste reazioni accoppiate è l'ATP.

Idrolisi e fosforilazione

Nelle cellule l'ATP è a volte idrolizzato direttamente in ADP + fosfato, liberando energia per le varie attività. Gli enzimi che catalizzano l'idrolisi dell'ATP sono detti ATPasi.

Altre volte il gruppo fosfato terminale dell'ATP non viene semplicemente rimosso, bensì trasferito a un'altra molecola. L'aggiunta di un gruppo fosfato è detta fosforilazione. Queste reazioni trasferiscono parte dell'energia del gruppo fosfato della molecola dell'ATP al composto fosforilato che, carico così di energia, partecipa a una successiva reazione.

Esempio, la formazione di saccarosio. Prima avviene la fosforilazione del fruttosio e glucosio, in modo da fornire energia necessaria agli elettroni per arrivare al livello energetico più alto del nuovo legame chimico:

ATP + fruttosio fruttosio-fosfato + ADP e ATP + glucosio glucosio-fosfato + ADP

In questo modo parte dell'energia resa disponibile dalla trasformazione dell'ATP in ADP è conservata grazie al trasferimento del gruppo fosfato terminale. Poi

Glucosio-fosfato + fruttosio-fosfato saccarosio + 2 gruppi fosfato

In questo modo i gruppi fosfati possono essere riutilizzati per ricaricare l'ADP mediante processi di scissione del glucosio (vedi avanti).

Il sistema ADP/ATP serve come sistema universale di scambio energetico.

Come le cellule producono ATP: Glicolisi e respirazione

Ossidazione del glucosio: visione d'insieme

Nell'ossidazione del glucosio la molecola viene scissa e gli atomi di H sono rimossi dagli atomi di carbonio e cominati con l'ossigeno che, pertanto, si riduce. Gli elettroni passano dai livelli energetici superiori a quelli inferiori e viene liberata energia.

Circa il 40% dell'energia liberata dall'ossidazione del glucosio è utilizzata per trasformare ADP in ATP.

L'ossidazione si compie di due tappe principali:

glicolisi, scissione del glucosio;

respirazione: che comprende:

o    ciclo di Krebs

o    trasporto finale di elettroni

Nella glicolisi e nel ciclo di Krebs gli atomi di H sono rimossi dallo scheletro carbonioso della molecola di glucosio e vengono trasferiti ai coenzimi, che funzionano da trasportatori di elettroni. C'è ne sono due:

nicotinammide adenina dinucleotide NAD⁺ che può accettare un protone e due elettroni, riducendosi a NADH;

flavin adenina dinucleotide FAD che può accettare due atomi di idrogeno riducendosi a FADH₂.

Nel corso della glicolisi e Krebs il NAD⁺ e il FAD accettano elettroni e protoni si riducono.

Nello stadio finale della respirazione il NADH e il FADH₂ cedono i loro elettroni alla catena di trasporto di elettroni, poi vengono fatti "scendere" (perdere energia) lungo una serie di trasportatori di elettroni si liberano piccole quantità di energia alla volta che consentono di formare ATP a partire da ADP e fosfato. Quando raggiungono il livello energetico più basso gli elettroni si combinano con i protoni e l'ossigeno per formare l'acqua.

In ambiente aerobico (presenza di ossigeno) l'ossidazione completa di una molecola di glucosio produce 38 molecole di ATP. In ambiente anaerobico la respirazione non può avvenire, ciò si verifica nelle cellule muscolari carenti di ossigeno a causa di un intenso esercizio fisico. La gli cosi può verificarsi però combinandosi a un processo chiamato fermentazione: l'energia prodotta è solo di 2 ATP per ogni molecola di glucosio (ma è sufficiente per le esigenze immediate).

Glicolisi

La molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene scissa in due molecole di un composto a tre atomi di carbonio chiamato fosfogliceralderide (PGAl). Le due molecole di PGAl sono di seguito trasformate in altrettante molecole di acido piruvico. In questo processo vengono rimossi dal glucosio quattro atomi di idrogeno, cioè 4 e^- e 4 H⁺.

Gli elettroni e due protoni sono accettati dalle molecole di NAD⁺, mentre gli altri due protoni rimangono in soluzione come ioni idrogeno (H⁺). Durante la glicolisi sono prodotte solo 143 kcal per mole di glucosio, mentre ben altre 545 kcal vengono immagazzinate nei legami delle molecole di acido piruvico che quindi contengono ancora la maggior parte dell'energia.

La glicolisi ha luogo tramite una serie di nove reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima speci

Da notare che: le prime tappe della glicoli richiedono un apporto di energia (2 ATP); dalla tappa 4 in poi tutti i prodotti devono essere contati due volte per poter seguire il destino di una molecola di glucosio.

Tappa 5 molecola di NAD⁺ acquista energia dal sistema, riducendosi a NADH e H⁺; 6 e 9 ADP acquista E ATP.

La reazione in sintesi è la seguente:

glucosio + 2 ATP + 4 ADP + 2 P_i (sostanza inorganica) + 2 NAD⁺ 2 ac. Piruvico + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

Quindi il guadagno netto è di due molecole di ATP e due di NADH per ogni molecola di glucosio

Respirazione

In presenza di ossigeno l'acido pirico viene demolito completamente con la produzione di CO₂ e H₂O processo di respirazione. Avviene, nelle cellule eucariote, dentro i mitocondri.

Struttura dei mitocondri

Sono delimitati da due membrane, ciascuna costituita da un doppio strato fosfolipidico. La membrana esterna è liscia, mentre l'altra si ripiega verso l'interno formando una serie convoluta di anse dette creste. Nei compartimenti interni c'è una soluzione densa, detta matrice, che circonda le creste: contiene enzimi, coenzimi, acqua, fosfati e altre molecole coinvolte nella respirazione.

La membrana esterna è permeabile alla maggior parte delle molecole piccole; mentre quella interna permette il passaggio solo di certe molecole (acido piruvico, ADP e ATP) e limita il passaggio di altre molecole e ioni quali gli ioni H⁺.

Un passaggio preliminare: l'ossidazione dell'acido piruvico

Dal citosol l'acido piruvico passa nella matrice del mitocondrio attraverso le sue membrane esterna e interna. Qui la molecola si ossida. Il carbonio in posizione 1, con i relativi atomi di ossigeno, viene eliminato sotto forma di anidride carbonica e rimane un gruppo acetifico a due atomi di carbonio (CH₃CO).

Si ottengono due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio.

Ogni gruppo acetifico è provvisoriamente accettato da un composto detto coenzima A abbreviato acetil-CoA.

Ciclo di Krebs

Il processo ha inizio quando il gruppo acetifico a due atomi di carbonio si combina con un composto a quattro atomi di carbonio (acido ossalacetico) per produrre un composto a sei atomi di carbonio (acido citrico). Nel corso del ciclo 2 dei 6 carboni sono ossidati ad anidride carbonica e si rigenera acido ossalacetico, rendendo questa serie di reazioni un vero e proprio ciclo.

Nel corso di queste reazioni l'energia liberata dall'ossidazione degli atomi di carbonio è utilizzata per:

trasformare ADP in ATP (una molecola per ciclo);

produrre NADH e H⁺ a partire dal NAD⁺ (tre molecole per ciclo);

produrre FADH₂ a partire dal FAD (una molecola per ciclo).

Sono necessari due giri del ciclo per completare l'ossidazione di una molecola di glucosio. Quindi il guadagno energetico complessivo è di:

2 molecole di ATP;

6 molecole di NADH;

2 molecole di FADH₂.

Nel ciclo di Krebs non è necessario l'ossigeno: gli elettroni e i protoni eliminati dall'ossidazione del carbonio sono accettati dal NAD⁺ e dal FAD. L'ossigeno è necessario, per la successiva tappa che inizia quando il NADH e il FADH₂ restituiscono i loro elettroni e protoni, riformando così NAD⁺ e FAD.

Trasporto finale di elettroni

Gli elettroni del NADH e FADH₂ che si trovano ad un livello di energia alto sono trasferiti all'ossigeno, scendendo gradualmente a un livello energetico inferiore grazie alla catena di trasporto di elettroni, che è costituita da una serie di trasportatori di elettroni, ognuno dei quali trattiene gli elettroni a un livello energetico via via più basso. I componenti principali sono i citocromi, che benché sono simili, hanno strutture differenti che permettono di trattenere gli elettroni a livelli di energia diversi.

Il flavin mononucleotide (FMN), il coenzima Q (CoQ) e i citocromi b, c, a e a₃ sono i principali trasportatori, ma esistono almeno altre nove molecole trasportatrice che funzionano da intermediari. Gli elettroni trasportati dal NADH entrano nella catena quando sono trasferiti all'FMN, che viene pertanto ridotto. Quasi istantaneamente l'FMN passa gli elettroni al CoQ e ritorna nella sua forma ossidata (Nero), pronto a ricevere un'altra coppia di elettroni, e il CoQ si riduce...e così via. Alla fine gli elettroni passano gradualmente a livelli inferiori di energia e vengono accettati dall'ossigeno, che si combina coi protoni per formare acqua.

L'energia di 2e^- liberata viene utilizzata dai mitocondri per ottenere la sintesi di ATP a partire da ADP processo di fosforilazione ossidativa.

Ogni volta che una coppia di elettroni passa dal NADH all'ossigeno si formano 3 molecole di ATP; mentre con il FADH₂ se ne formano 2 (la coppia di elettroni di trova a un livello energetico leggermente inferiore).

Meccanismo della fosforilazione ossidativa: accoppiamento chemiosmotico

La fosforilazione ossidativa dipende da un gradiente di protoni (ioni H⁺) che si stabilisce attraverso la membrana mitocondriale e dal successivo utilizzo dell'energia potenziale immagazzinata in questo gradiente per ottenere ATP a partire da ADP e fosfato.

La maggior parte dei trasportatori di elettroni (citocromi) è strettamente associata alle proteine inserite nella membrana, formando tre complessi separati tra loro, i quali sono bloccati in siti precisi della membrana; all'interno di ogni complesso i trasportatori di elettroni hanno una collocazione ben precisa gli uni rispetto agli altri. I complessi proteici hanno anche la funzione di pompare protoni.

Sono presenti tre complessi proteici:

I complesso contiene il citocroma FMN e riceve gli elettroni dal NADH;

Il CoQ, localizzato nella pate interna lipidica della membrana, trasferisce gli elettroni dal complesso I al II;

Il II complesso contiene il citocromo b, poi gli elettroni passano nel citocromo c che è una proteina di membrana periferica che fa la spola avanti e indietro tra i complessi II e III;

Gli elettroni infine passano nei citocromi a e a₃ situati nel complesso III e tornano nella matrice, dove si combinano con gli ioni H⁺ e l'ossigeno formando acqua.

A mano a mano che gli elettroni scendono attraverso i tre complessi proteici vengono pompati protoni (ioni H⁺) dalla matrice allo spazio intermembrana si stabilisce un gradiente di protoni energia potenziale che è data da:

differenza di concentrazione (più ioni H⁺ fuori dalla matrice che dentro);

differenza di carica elettrica

Quindi l'energia potenziale si trova sotto forma di un gradiente elettrochimico, disponibile a mettere in moto qualsiasi processo che fornisca un canale in grado di far scendere i protoni lungo il gradiente e farli tornare alla matrice. Tale canale è azionato dal complesso ATP-sintetasi. Esso è costituito da due unità principali:

F₀ che si trova dentro la membrana interna del mitocondrio;

F₁ che sporge nella matrice.

Sulla F₁ sono localizzati i siti di legame sia per l'ATP sia per l'ADP. Un canale, o poro, mette in comunicazione lo spazio intermembrana con la matrice mitocondriale attraversando l'intero complesso. Quando gli elettroni passano lungo questo canale, movendosi lungo il gradiente elettrochimico, viene sintetizzato ATP a partire da ADP e fosfato.

Tutto questo meccanismo di sintesi è detto accoppiamento chemiosmotico, chemiosmotico deriva dal fato che la produzione di ATP nella fosforilazione ossidativi comprende processi sia chimici sia di trasporto attraverso una membrana selettivamente permeabile.

Complessivamente quindi si hanno due eventi distinti è importantissimi:

si stabilisce un gradiente di protoni attraverso la membrana interna del mitocondro;

viene utlizzata l'energia potenziale accumulata nel gradiente per formare ATP a partire da ADP e fosfato.

Bilancio energetico totale

Poiché il gradiente di protoni attraverso la membrana interna dei mitocondri può essere utlizzato per scopi diversi dalla sintesi di ATP, la quantità di ATP che si forma può variare: quello esposto è il massimo della produzione energetica.

Le molecole di ATP, una volta formate, sono esportate attraverso la membrana interna dei mitocondri da un sistema di "spola" che contemporaneamente introduce una molecola ADP per ogni ATP esportato.

Fermentazione

In assenza di ossigeno avviene la fermentazione. L'acido piruvico formatosi nella glicolisi viene trasformato in etanolo (acol etilico) o in uno dei numerosi acido organici, tra i quali l'acido lattico come avviene nei muscoli umani. Comunque il prodotto della reazione dipende dal tipo di cellula.

Formazione di Etanolo, processo che avviene nella fermentazione dell'uva :

si libera anidride carbonica formando l'acetaldeide;

viene ossidato il NADH l'acetaldeide viene ridotta.

Molta energia rimane nella molecola d'alcol, tuttavia, rigenerando NAD⁺, questi passaggi permetto alla glicolisi di continuare con la sua piccola produzione di ATP.

In molti microrganismi e in alcune cellule animali, quando l'ossigeno è scarso o assente si forma acido lattico a partire dall'acido piruvico. Nel corso della reazione il NADH è ossidato e l'acido piruvico viene ridotto. Le molecole di NAD⁺ sono riciclate nella sequenza gli colitica, senza questo riciclo la glicolisi non può procedere.

Più acido lattico si accumula nel muscolo più aumenta la fatica muscolare. In seguito, quando l'ossigeno è più abbondante e la domanda di ATP è ridotta, l'acido lattico viene ritrasformato in acido piruvico che  verrà poi utlizzato per sintetizzare di nuovo glucosio o glicogeno.

Strategie metaboliche

Oltre al glucosio si possono utilizzare anche proteine e grassi per sintetizzare ATP.

I grassi sono prima scomposti in glicerolo e acidi grassi. Il glicerolo viene in seguito demolito in una serie di reazioni che dà luogo a un trasferimento di elettroni presso il CoQ della catena di trasporto di elettroni. Mentre gli acidi grassi vengono suddivisi in frammenti a due atoi di carbonio e fati passare nel ciclo di Krebs come acetil-CoA.

Le proteine vengono scomposte nei loro amminoacidi costituenti e i gruppi amminici vengono rimossi. Il rimanente scheletro carbonioso è trasformato o in un gruppo acetile, che entra nel ciclo di Krebs come acetil-CoA, oppure in uno dei grossi composti intermedi della glicolisi o del ciclo di Krebs.

Queste varie sequenze con cui i cibi vengono demoliti per ottenere energia sono dette nel loro complesso catabolismo.

Mentre i processi biosintetici della vita vendono denominati complessivamente anabolismo: sono la via attraverso cui le cellule sintetizzano le varie molecole che compongono un organismo.

Logicamente può avvenire anche il processo inverso, vale a dire che i vari prodotti intermedi della glicolisi e del ciclo di Krebs possano servire come materiale per la biosintesi.

Perché possano avvenire le reazioni cataboliche e anaboliche, ci deve essere una pronta disponibilità di molecole organiche da demolire per ottenere energia e materiale da costruzione altrimenti le sequenze metaboliche si interromperebbero e l'organismo morirebbe.

Fotosintesi, Luce e Vita

La natura della luce

Isaac Newton più di 300 anni fa scompose la luce visibile in uno spettro di colori facendola passare attraverso un prisma attraverso un secondo prisma, ricombinò i vari colori ottenendo di nuovo luce bianca. Si dimostrò che la luce di differenti colori, passando attraverso un prisma, viene rifratta secondo angoli differenti.

Nel XIX, Maxwell stabilì che la luce è in realtà una parte molto piccola di un ampio spettro continuo di radiazioni, lo spettro elettromagnetico. La lunghezza d'onda varia dalle frazioni di manometro per i raggi gamma, ai silometri per le onde radio a bassa frequenza. Ad essa è associata una quantità caratteristica di energia: maggiore è la lunghezza d'onda, minore è l'energia e viceversa.

Nell'ambito dello spettro della luce visibile la luce rossa ha le massime lunghezze d'onda e la luce viola le minime.

Clorofilla e altri pigmenti

L'energia luminosa può essere utilizzata dai sistemi viventi solo se prima viene assorbita. Qualsiasi sotanza che assorba la luce è definita un pigmento. Alcuni pigmenti assorbono tutte le lunghezze d'onda altri solo certe.

Ci sono parecchi tipi di clorofilla che variano leggermente nella loro struttura molecolare. Negli organismi eucariote fotosintetici (piante e alghe) la clorofilla a è il pigmento direttamente interessato alla trasformazione dell'energia luminosa in energia chimica. Molte altre cellule fotosintetiche contengono un altro tipo di clorofilla, come la clorofilla b nelle piante e alghe verdi; e un gruppo di pigmenti, i carotenoidi (sono pigmenti rossi, arancioni o gialli, si vedono soprattutto in autunno sulle foglie). La clorofilla b e i carotenoidi sono in grado di assorbire la luce a lunghezze d'onda diverse da quelle assorbite dalla clorofilla a possono passare l'energia alla clorofilla a ampliando lo spettro di luce disponibile per la fotosintesi.

Quando i pigmenti assorbono luce, gli elettroni, all'interno, vengono spinti a livelli di energia superiori,ma ritornano quasi immediatamente ai loro livelli energetici di partenza liberando energia che viene utilizzata per:

essere assorbita da una molecola vicina;

essere dissipata come calore;

essere riemessa come energia luminosa di lunghezza d'onda più lunga, fenomeno della fluorescenza;

innescare una reazione chimica di ossido-riduzione, però soltanto se la clorofilla è associata a certe proteine e si trova in una membrana specializzata.

I cloroplasti

I tilacoidi sono le membrane specializzate in cui sono inseriti la clorofilla e gli altri pigmenti, hanno la forma di sacchi appiatti, o vescicole. Negli eucariote fanno parte della struttura della membrana interna di organuli specializzati, i cloroplasti. Anche loro, come i mitocondri, sono delimitati da due membrane, all'interno intorno ai tilacoidi c'è una soluzione densa, lo stroma, che ha una composizione diversa dal citosol. I talacoidi racchiudono un ulteriore comparto al loro interno detto spazio del tilacoide, che contiene una soluzione. Tutti i tilacoidi sono orientati parallelamente l'uno all'altro formando delle pile che vengono chiamate grani il cloroplasto può puntare contemporaneamente tutti i suoi milioni di pigmenti verso la luce per assicurare la massima ricezione.

Stadi della fotosintesi

Si svolge in due stadi:

reazioni luce - dipendenti, in cui la luce colpisce le molecole di clorofilla a, gli elettroni allora sono spinti a livelli di energia maggiore e le molecole di clorofilla a  si ossidano. L'energia trasportata da questi elettroni viene usata per formare ATP a partire da ADP e per ridurre una molecola chiamata NADP⁺ formando NADPH. Inoltre sono scisse anche molecole d'acqua, che forniscono gli elettroni necessari a sostituire quelli perduti dalle molecole di clorofilla a;

reazioni luce - indipendenti, si svolgono nello stroma, sono sintetizzati gli zuccheri a partire da anidride carbonica e dall'idrogeno trasportato dai NADPH, l'energia è fornita dall'ATP e dal NADPH formati precedentemente. Questa incorporazione di anidride carbonica in composti organici è detta fissazione del carbonio.

Reazioni luce-dipendenti

Nei tilacoidi la clorofilla e le altre molecole sono ammassate in unità dette fotosistemi: ognuno contiene dalle 250 a 400 molecole di pigmento:

Fotosistema I che utilizza molecola di clorofilla a dette P₆₈₀, dove 680 rappresenta il picco del suo spettro di assorbimento;

Fotosistema II che utilizza molecole di clorofilla a dette P₇₀₀.

Quando l'energia luminosa è assorbita da uno dei pigmenti, passa saltando da un pigmento all'altro del fotosistema, fino a raggiungere un tipo particolare di clorofilla a che è considerato il centro di reazione del fotosistema.

Spiegazione del processo:

Nel Fotosistema II l'energia luminosa assorbita dai pigmenti è trasferita alla molecola reattiva di clorofilla a, P₆₈₀. Questa energia spinge gli elettroni dalla molecole P₆₈₀ verso un accettore primario di elettroni che si trova a un livello energetico superiore. Gli elettroni poi scendono dall'accettore primario, lungo la catena di trasporto di elettroni, a un livello energetico inferiore, ossia alla molecola reattiva di clorofilla a, P₇₀₀ del Fotosistema I. A mano a mano che gli elettroni scendono lungo questa catena di trasporto l'energia che essi liberano è utilizzata per pompare protoni dallo stroma allo spazio del tilacoide. Attraverso la membrana del tilacoide si instaura perciò un gradiente elettrochimico di energia potenziale; i complessi ATP-sintetasi inseriti nella membrana dei tilacoidi forniscono un canale attraverso cui i protoni possono scendere lungo il gradiente e tornare nello stroma, contemporaneamente l'energia potenziale del gradiente consente la sintesi di ATP a partire da ADP; per ogni molecola di ATP sintetizzata due elettroni devono scendere lungo la catena di trasporto dal Fotosistema II al Fotosistema, questo processo è chiamato fotofosforilazione ed è simile alla fosforilazione ossidativa che si svolge nei mitocondri. Gli elettroni rimossi dal Fotosistema II sono rimpiazzati dagli elettroni che si liberano quando le molecole d'acqua si scindono in protoni e ossigeno gassoso.

Nel Fotosistema I l'energia luminosa spinge gli elettroni dalla molecola P₇₀₀ a un altro accettore primario di elettroni. Da questo accettore essi passano al NADP⁺ attraverso altri trasportatori. Due elettroni e un protone si combinano con una molecola di NADP⁺, riducendola, e formando NADPH. L'altro ione H⁺ liberato da ogni molecola d'acqua rimane in soluzione nello spazio del tilacoide. Infine gli elettroni rimossi dal Fotosistema I sono rimpiazzati da quelli del Fotosistema II. Per ottenere una molecola di NADPH è necessario che due elettroni siano spinti fuori dal Fotosistema II e due elettroni dal Fotosistema I.

Reazioni luce-indipendenti

Nelle piante la CO₂ raggiunge le cellule fotosintetiche attraverso aperture specializzate delle foglie e dei fusti verdi, dette stomi. Le reazioni del secondo stadio della fotosintesi richiedono molecole di ATP e NADPH che vengono sintetizzate nei cloroplasti solo in presenza di luce, ma una volta che sono disponibili il resto delle reazioni può avvenire anche senza la luce luce - indipendenti.

Il ciclo di Calvin: la via del C₃

Il composto iniziale (e anche quello finale) del ciclo di Calvin è costituito da uno zucchero a cinque atomi di carbonio legato a due gruppi fosfato, il ribulosio-difosfato (RuDP).

Il ciclo comincia quando l'anidride carbonica si lega al RuDP, che si scinde subito per formare due molecole di acido fosfoglicerico, o PGA; è catalizzata da un enzima specifico, la RuDP-carbossilasi (noto come subisco), che costituisce più del 15% del quantitativo proteico del cloroplasto. Ogni molecola di PGA prodotta contiene tre atomi di carbonio; per questo motivo, il ciclo di Calvin è conosciuto anche come via del C₃.

Schema del C₃:

Sei molecole di ribulosio-difosfato (RuDP), un composto a cinque atomi di carbonio, si combinano con sei molecole di anidride carboni, producendo 6 molecole di un composto intermedio instabile che si scinde immediatamente dando origine a 12 molecole di acido fosfoglicerico (PGA). Poi le molecole sono ridotte a dodici molecole di fosfogliceraldeide;

10 di queste molecole a tre atomi di carbonio si combinano e si riassemblano per formare sei molecole a cinque atomi di carbonio di RuDP;

2 rappresentano il guadagno netto

Il primo prodotto del ciclo di Calvin è la fosfogliceraldeide; la stessa molecola a tre atomi di carbonio che si forma quando il fruttosio di fosfato si scinde nella 4° tappa della glicolisi. In seguito queste molecole vengono sintetizzate formando una varietà di zuccheri, amminoacidi e acidi grassi.

Il problema della fotorespirazione

L'CO₂ non è sempre disponibile, essa entra attraverso gli stomi, pori specializzati che si aprono e si chiudono in seguito alla pressione dell'acqua e ad altri fattori. Quando una pianta si trova in ambiente caldo e asciutto deve chiudere i suoi stomi per conservare l'H₂O la CO₂ non può entrare e l'O₂ si accumula (è prodotta dalla fotosintesi).

Quando nella foglia la concentrazione di CO₂ è bassa, se paragonata a quella dell'O₂, la RuDP-carbossilasi catalizza una reazione tra RuDP e ossigeno invece che tra RuDP e anidride carbonica. Questa è la prima tassa di un processo conosciuto come fotorespirazione, in cui i carboidrati vengono ossidati ad anidride carbonica e acqua in presenza di luce questo processo non è redditizio non produce né ATP né NADH.

Una soluzione: la via C₄

Il problema viene risolta da alcune piante grazie a una via alternativa per catturare CO₂. La prima tappa della fissazione del carbonio è il legame tra CO₂ e composto chiamato acido fosfoenolpiruvico (PEP) con la formazione di un composto a quattro atomi di carbonio (ecco perché C₄) l'acido ossalacetico. Questa reazione è catalizzata dall'enzima PEP-carbossilasi che ha un'affinità maggiore per l'anidride carbonica rispetto alla RuDP-carbossilasi viene immessa più CO₂ in queste piante.

Questo tipo di piante si sono evolute principalmente nelle zone tropicali sono adatte a un'alta intensità luminosa,  alte temperature e siccità.

I prodotti della fotosintesi

La fosfogliceraldeide (PGAl) e i suoi derivati forniscono:

fonte d'energia praticamente di tutti i sistemi viventi;

lo scheletro carbonioso fondamentale grazie a cui può essere sintetizzata la grande varietà delle molecole organiche, ciò perché il carbonio è stato fissato, cioè è passato dal mondo inorganico (CO₂) a quello organico.

Tutte le cellule utilizzano zuccheri quali la fosfogliceraldeide e il glucosio, come sostanze di partenza per la produzione di altri carboidrati, di grassi e altri lipidi e, con l'aggiunta di azoto, di amminoacidi e di basi azotate.

La riproduzione delle cellule

La riproduzione delle cellule è un processo noto come divisione cellulare. Effetti della divisione cellulare:

Organismi unicellulari (batteti e molti protesti) fa aumentare il numero di individui di una popolazione;

Organismi pluricellulari è il mezzo mediante cui l'organismo cresce, partendo da una singola cellula.

Una singola cellula cresce assimilando sostanze dal suo ambiente e sintetizzando queste sostanze in nuove molecole strutturali e funzionali. Quando raggiunge determinate dimensioni critiche e un determinato stato metabolico, si divide. Le due cellule figlie cominciano poi a crescere di nuovo.

Le nuove cellule prodotte sono strutturalmente e funzionalmente simili sia alla cellula madre sia tra loro perché ereditano una replica esatta delle informazioni ereditarie della cellula madre.

Divisione cellulare dei procarioti

La maggior parte del materiale ereditario è formata da un'unica, lunga molecola circolare di DNA, chiamata cromosoma che si replica prima che la cellula si divida. Ognuno dei due cromosomi figli è attaccato in un punto diverso sulla parte interna della membrana cellulare una volta che la cellula si è ingrandita e quindi i cromosomi si sono separati, la membrana cellulare si ripiega verso l'interno e si forma una nuova parete cellulare che separa le due nuove cellule e i loro cromosomi.

Divisione cellulare negli eucariote

Il problema è molto più complesso in quanto il DNA è molto maggiore e forma un certo numero di cromosomi separati, rispetto alle cellule procariotiche.

Con una serie di fasi, chiamate complessivamente mitosi, una serie completa di cromosomi viene assegnata a ciascuno dei due nuclei delle cellule figlie. In generale questo processo è seguito dalla citodieresi che divide la cellula in due nuove cellule.

Il ciclo cellulare

Le cellule eucariote in divisione vanno incontro a una sequenza regolare e ripetitiva di crescita e di divisione, il ciclo cellulare che può essere sudicio in 5 fasi principali: G₁, S, G₂, mitosi e citodieresi. Il ciclo cellulare avviene con tempi differenti in base alla cellula. Le prime 3 vengono dette interfase.

Il processo chiave di duplicazione del DNA avviene durante la fase S (fase di sintesi) e vengono sintetizzate anche molte delle proteine associate al DNA.

Le fasi G (intervallo) precedono e seguono la fase S:

G₁ (precede la S) è un periodo di intensa attività biochimica:

o    La cellula raddoppia le sue dimensioni e aumentano di numero i suoi enzimi, ribosomi, mitocondri;

o    Alcune strutture vengono sintetizzate ex novo, come microtubuli, filamenti di actina, i ribosomi;

o    Altre derivano dal RE che si rinnova e s'ingrandisce grazie all'aggiunta di molecole fosfolipidiche e proteiche, come l'apparato del Golgi, i lisosomi, le vescicole;

o    I centrioli (non presenti nelle piante con fiori) cominciano a separarsi e a duplicarsi;

o    Si duplicano i mitocondri e i cloroplasti, che contengono il proprio cromosoma (la duplicazione avviene in modo simile alla cellula batterica);

G₂ avvengono gli ultimi preparativi per la divisione cellulare:

o    I cromosomi appena duplicati, che erano dispersi nel nucleo sotto forma i filamenti raggomitolati di cromatina, lentamente si spiralizzano e si condensano in una forma compatta;

o    Le due coppie di centrioli maturi si dispongono subito fuori dalla membrana nucleare, poco lontane l'una dall'altra.

Negli organismi pluricellulari è d'importanza vitale che i differenti tipi di cellule si dividano a un ritmo tale da produrre tutte le cellule necessarie alla sua crescita e al suo mantenimento, ma senza superare il regolare fabbisogno.

Mitosi

La funzione è quella di dirigere gli spostamenti dei cromosomi duplicati in modo tale che ogni nuova cellula ne riceva un corredo completo.

I cromosomi all'inizio della mitosi sono spiralizzati. Ognuno è costituito da due copie, dette cromatidi uniti tra loro in una regione comune a entrambe detto centromero, in questa zona ci sono due strutture discoidali contenenti proteine, i cinetocori, a cui sono attaccati i microtubuli del fuso.

Il fuso una volta completato è costituito da due gruppi di microtubuli:

le fibre polari collegano ciascun polo del fuso con la regione mediana centrale posta tra i due poli;

le fibre del cinetocore sono attaccate ai cinetocori dei cromosomi duplicati.

Questi microtubuli sono responsabili della separazione dei cromatidi gemelli che si verifica durante la mitosi.

Nelle cellule che contengono i centrioli, ciascun polo del fuso è evidenziato da una coppia di centrioli appena duplicata; queste cellule contengono un terzo gruppo di fibre (più corte) che si diramano dai centrioli chiamate aster servono per fissare i poli del fuso alla membrana cellulare durante il processo mitotico.

La maggior parte delle molecole di tubulina da cui sono formati i microtubuli del fuso è presa in prestito dal citoscheletro per questo motivo la cellula ha un caratteristico aspetto tondeggiante.

Fasi della mitosi

Si dividono in 4 fasi:

Profase: inizia quando la cromatina si condensa diventano visibili i singoli cromosomi. Fasi principali:

o    I microtubuli del citoscheletro vengono disassemblati per essere utilizzati nella costruzione del fuso la cellula diventa più sferica e il citoplasma diventa più viscoso;

o    Le coppie di centrioli si separano si formano i microtubuli che diventano le fibre del fuso (attorno al quale si riuniscono i centrioli formano l'aster);

o    La membrana nucleare si disintegra man mano che i cromosomi si condensano e si disperde in frammenti membranosi simili a frammenti di RE;

o    Alla fine i singoli cromosomi sono tutti spiralizzati e non sono più separati dal citoplasma si formano anche le fibre cinecotore;

Metafase: le coppie di cromatidi si muovono avanti e indietro, all'interno del fuso e si dispongono in modo preciso nel piano equatoriale della cellula;

Anafase

o    I due cromatidi di ogni coppia si separano (questo avviene contemporaneamente in tutte le coppie);

o    Ogni cromatidio diventa ora un cromosoma indipendente attirato verso il polo dalle fibre del cinetocore. I centromeri avanzano per prime, mentre le braccia dei cromosomi vanno dietro;

Telofase: i cromosomi hanno raggiunto i poli opposti e il fuso inizia a disperdersi sotto forma di molecole di tubulina. Alla fine intorno ai due assetti cromosomici si formano le membrane nucleari i cromosomi ritornano a essere diffusi e ricompaiono i nucleoli.

Citodieresi

Inizia di solito durante la telofase mitotica e generalmente divide la cellula in due parti quasi uguali.

Differisce per alcuni aspetti tra cellule animali e vegetali:

cellule animali: la membrana cellulare comincia a restringersi lungo la circonferenza della cellula (in corrispondenza dell'equatore). Appare un solco sulla superficie che a poco a poco diventa più profondo, e alla fine, la connessione tra le cellule figlie si riduce a un sottile filamento di actina che presto si rompe del tutto;

cellule vegetali: il citoplasma è diviso lungo la linea mediana da una serie di vescicole prodotte dagli apparati di Golgi e contenenti polisaccaridi. Esse alla fine si fondono per formare uno spazio appiattito, limitato da membrane, la piastra cellulare. A mano a mano che le vescicole si fondono i bordi della piastra in formazione si uniscono alla membrana della cellula, completando la separazione tra le due cellule. Durante questo processo tra le due cellule vengono depositati dei polisaccaridi che si impregnano di pectina e formando alla fine la lamella mediana (presente sul confine di due cellule vegetali).

La divisione cellulare e la riproduzione dell'organismo

La riproduzione che trasmette, grazie alla mitosi, copie esatte di cromosomi dai genitori ai figli è detta riproduzione asessuata la mitosi è una riproduzione asessuata.

Meiosi e riproduzione sessuata

La riproduzione sessuata richiede due genitori e comporta sempre due eventi:

fecondazione differenti contributi genetici dei due genitori si fondono insieme per formare la nuova indentità genetica della progenie;

meiosi tipo speciale di divisione cellulare.

Aploide e Diploide

Ogni organismo ha un numero di cromosomi caratteristico della propria specie.

Le cellule sessuali, o gameti, hanno esattamente la metà del numero di cromosomi che è caratteristico delle cellule somatiche dell'organismo. Il numero dei cromosomi presenti nei gameti è detto aploide (n) (corredo singolo) e quello delle cellule somatiche è detto diploide (2n); se vi sono più corredi cromosomici si hanno i polidiploidi (rare in animali comuni in piante con fiori).

La cellula diploide prodotta dalla fecondazione dei gameti è detto zigote. In ogni cellula diploide i cromosomi di ogni coppia sono detti omologhi (per ciascuno ve ne un altro corrispondente): uno proviene da un genitore uno da un altro.

Nella meiosi il corredo diploide dei cromosomi si riduce a corredo aploide si bilanciano gli effetti della fecondazione in modo che il numero dei cromosomi rimanga costante di generazione in generazione.

Meiosi e ciclo vitale

La meiosi si attua in momenti diversi del ciclo vitale dei differenti organismi:

Nei protesti e funghi si verifica subito dopo la fusione delle cellule in accoppiamento (fecondazione) normalmente le cellule sono aploidi e la meiosi, dopo la fecondazione, ripristina il numero aploide;

Nelle piante si ha una tipica alternanza di una fase aploide e una diploide chiamata alternanza di generazioni.

Nelle felci la parte della piante che è normalmente visibile è lo sporofito (l'organismo diploide). Nelle foglie ci sono degli sporangi nei quali la meiosi produce delle spore (aploidi), generalmente sulla superficie inferiore delle loro foglie.Quando gli sporangi sono maturi si aprono e le spore si disperdono, germinano e producono gametofiti aploidi, caratterizzate da un solo strato di molte cellule compatte. Essi producono gameti per mitosi i quali si fondono e danno poi origine a uno zigote dal quale si produce lo sporofito (2n) all'interno del gametofito. E il ciclo si ripete;

Negli animali la meiosi è immediatamente seguita dalla fecondazione durante la maggior parte del ciclo vitale l'organismo è diploide.

Mentre però negli animali la meiosi produce gameti, nei vegetali produce spore, che è una cellula riproduttiva aploide che, diversamente da un gamete, può dar luogo a un organismo (aploide) senza fondersi prima con un'altra cellula.

I preliminari della meiosi

La mitosi è costituita da due divisioni nucleari successive che producono un totale di 4 nuclei figli:

interfase in cui i cromosomi si duplicano in modo che all'inizio della meiosi ogni cromosoma è costituito da due cromatidi identici uniti a livello del centromero;

profase i due cromosomi omologhi di ogni coppia si uniscono formando una stretta associazione. Ogni coppia di cromosomi è formata da quattro cromatidi è perciò viene chiamata tedrade. All'interno della tetrade i cromatidi dei due omologhi si incrociano in diversi punti, rendendo possibile lo scambio di segmenti di cromatici questo è il fenomeno del crossing over e i siti in cui avviene sono i punti del crossing over.

Il risultato del crossing over è una ricombinazione del materiale genetico dei due omologhi i cromatidi dei due omologhi non sono più identici.

Fasi della meiosi

Le due divisioni nucleari sono chiamate:

meiosi I le coppie di cromosomi omologhi si appaiano e poi si separano;

meiosi II si separano i cromatidi di ogni omologo.

Meiosi I

Ha inizio dopo la duplicazioni dei cromosomi. Il processo si suddivide in:

Profase I: le fasi principali sono:

o    la cromatina si condensa e i cromosomi duplicati incominciano a diventare visibili al microscopio;

o    il nucleolo e la membrana nucleare scompaiono;

o    hanno luogo l'accoppiamento dei cromosomi omologhi e il crossing over;

Metafase I: le coppie di omologhi si allineano sul piano equatoriale della cellula; le fibre del fuso iniziano ad attaccarsi ai cinetocore;

Anafase I gli omologhi (ognuno costituito da due cromatidi) si separano. Ma i due cromatidi di ciascun cromosoma non si separano come avviene invece nella mitosi;

Telofase I gli omologhi migrano ai poli. Ora ogni gruppo di cromosomi contiene soltanto la metà del numero di cromosomi del nucleo di partenza, inoltre essi possono essere differenti da quelli della cellula d'origine a causa del crossing over.

Si possono formare (o meno) membrane nucleari e può effettuarsi (o meno) la citodieresi a seconda della specie.

Benché ogni nucleo contenga un numero aploide di cromosomi, in realtà esso contiene ancora il doppio della quantità aploide di materiale genetico in quanto ogni cromosoma è ancora costituito da due cromatidi che non si sono ancora separati.

Meiosi II

Si può avere una breve interfase durante la quale vi è una parziale despiralizzazione dei cromosomi, ma in molte specie la meiosi procede direttamente dalla Telofase I alla Profase II.

Profase II

o    i cromosomi, se si erano dispersi, si spiralizzano di nuovo;

o    la membrana nucleare si disintegra;

o    iniziano a ricomparire nuove fibre del fuso;

Metafase II: le tre coppie di cromatidi di ogni nucleo si allineano sul piano equatoriale (ogni cromosoma è costituito da due cromatidi);

Anafase II: i cromatidi si separano e migrano verso uno dei due poli;

Telofase II: i microtubuli del fuso scompaiono e intorno a ogni gruppo di cromosomi si forma una membrana nucleare.

In seguito può avvenire o meno la citodieresi.

Ci sono ora 4 nuclei, ognuno contente un numero aploide di cromosomi.

Per esempio iniziando da una cellula contente sei cromosomi (tre paia di omologhi) ci troviamo alla fine con 4 cellule, ognuna con tre cromosomi (non accoppiati in omologhi) il numero dei cromosomi si è ridotto da diploide ad aploide.

Confronto tra mitosi e meiosi

la meiosi può attuarsi solo in cellule con un numero di cromosomi diploide, mentre la mitosi, che non prevede l'appaiamento dei cromosomi, può verificarsi sia nelle cellule aploidi sia in quelle diploidi;

durante la meiosi ogni nucleo diploide si divide due volte, producendo complessivamente quattro nuclei, mentre i cromosomi si duplicano soltanto una volta prima che si verifichi la prima divisione nucleare;

ognuno dei quattro nuclei prodotti (nella meiosi) contiene la metà del numero dei cromosomi presenti nel nucleo di partenza;

i nuclei aploidi prodotti per meiosi contengono nuove combinazioni di cromosomi; i cromosomi omologhi sono ripartiti a caso fra i quattro nuovi nuclei aplodi, ma in seguito al crossing over possono essere differenti da quelli che hanno dato inizio alla meiosi.

Meiosi nella specie umana

In tutti i vertebrati la meiosi avviene negli organi riproduttivi: i testicoli (M) e le ovaie (F).

Nel maschio le cellule diploidi che effettuano la meiosi sono dette spermatociti primari, esso si divide due volte dando origine a 4 spermatidi aplodi che maturano differenziandosi in spermatozoi mobili.

Nelle femmine la meiosi avviene nelle cellule diploidi dette oociti primari, ma le divisioni meiotiche producono nuclei aploide che però hanno una distribuzione di citoplasma differente viene prodotta soltanto una cellula uovo, l'ovulo, insieme a 2 o 3 corpuscoli polari che di solito degenerano.

La cellula uovo in compenso è bene fornita di struttura citoplasmatiche: importanti per la crescita dell'embrione.

Errori nel processo meiotico

In tutte le coppie di omologhi, tranne una, i cromosomi sono identici nei maschi e nelle femmine e sono detti autosomi.

I cromosomi sessuali sono diversi, nel maschio XY nella femmina XX.

Alcuni difetti genetici sono causati da anomali nel numero, o nella struttura degli autosomi o dei cromosomi sessuali. Queste anomalie sono il risultato di errori che si verificano durante il processo meiotico.

Esempi:

i cromosomi omologhi possono non separarsi durante la prima divisione meiotica, oppure i cromatidi possono non separarsi durante la seconda divisione meiotica fenomeno della non-disgiunzione si producono gameti con uno o più cromosomi in eccesso a altri con uno o più cromosomi in difetto (in questo caso è molto probabile la morte). Mentre autosomi soprannumerari manifestano diffuse anomali, sia mentali che fisiche (esempio la sindrome di Down). Può produrre anche individui con un numero anomalo di cromosomi sessuali: nei maschi XXY, XXXY (sono sani mentalmente) XXXXY (sono sterili), nelle femmine XXX (sono normali) o X (sterili);

delezione quando un segmento di un cromosoma si stacca e non viene sostituito dal segmento corrispondente del suo omologo. Si possono avere due casi:

o    duplicazione, in cui questo segmento viene incorporato nell'omologo compare due volte;

o    traslocazione, in cui il segmento viene trasferito a un altro cromosoma e diventa parte di un cromosoma non omologo.

Può essere letale. Alcuni casi di duplicazione e traslocazione possono avere le stesse conseguenze della presenza di un cromosoma in più (problemi mentali e fisici o sterilità).

La sindrome di Down

Insorge nei seguenti casi:

quanto un individuo eredita tre copie del cromosoma 21 invece di due causata dalla non-disgiunzione che si verifica durante la formazione del gamete di un genitore si ha un assetto di 47 cromosomi e il cromosoma 21 è sovrannumerato in tutte le cellule dell'individuo;

traslocazione dei cromosomi di uno dei genitore.

Cause che possono aumentare la propabilità:

Un genitore, anche se fenotipicamente normale, presenta solo 45 cromosomi ben distinti;

Età delle donne in cinta.

Diagnosi prenatale

L'amniocentesi rende possibile nel feto la diagnosi prenatale della sindrome di Down e di un certo numero di altre anomali genetiche. Viene aspirato un campione del liquido amniotico che circonda il feto. Esso contiene cellule di sfaldamento del feto che coltivate in vitro, producono cellule in mitosi dalle quali può essere ricavato un cariotipo.

Recentemente si è sviluppata una tecnica per prelevare cellule dal corion, una delle membrane fetali: in questo modo già dall'8° settimana si può effettuare la diagnosi.

Le conseguenze della riproduzione sessuata

Molti organismi possono riprodursi sia per via asessuata (per mitosi e citodieresi) che per via sessuata. Ma mentre la riproduzione asessuata crea individui geneticamente identici ai loro genitori, nella riproduzione sessuata il potenziale di variabilità genetica negli individui prodotti è enorme: 2ⁿ (2= numero degli omologhi in una coppia e n=numero cromosomico aploide) oltre al fatto che questi possono subire processi di crossing over (totalmente casuali).

La nascita della genetica

Il concetto di gene

All'epoca di Mendel (1822-1884) gli esperimenti di incrocio condotti su animali e piante avevano dimostrato che entrambi i genitori contribuicono alla determinazione delle caratteristiche della prole e che questi contributi vengono portati dai gameti. Mendel contribuì dimostrando che i caratteri ereditari sono trasmessi come unità che vengono distribuite singolarmente a ogni generazione, questi sono i geni.

Il metodo sperimentale di Mendel

Scelse la comune pianta di pisello perché;

facilmente reperibile e da coltivare e cresceva rapidamente;

le differenti varietà avevano caratteristiche nettamente diverse che rimanevano inalterate da un raccolto all'altro;

le strutture riproduttive sono interamente racchiuse dai petali il fiore normalmente si autoimpollina.

Approccio metodologico di Mendel:

pianificò i suoi esperimenti con cura e intelligenza, studiando solamente differenze ereditarie nette e scartando le caratteristiche secondarie;

studiò i discendenti sia della 1°, 2° e successive generazioni;

contò il numero dei discendenti e analizzò matematicamente i risultati ottenuti;

organizzò i suoi dati in modo tale da rendere la loro valutazione semplice e oggettiva.

La legge della segregazione

Selezionò 7 caratteri che mostravano nelle diverse varietà di piante due forme nettamente differenti.

Eseguì incroci sperimentali asportando le antere di un fiore contenti il polline e cospargendo gli stimi con polline del fiore di un'altra varietà. Trovò che la prima generazione F₁ tutti i figli mostravano solamente uno dei due caratteri presenti nei genitori (carattere dominante) mentre l'altro era scomparso. Lasciò che la F₁ si autoimpollinasse e vide nella seconda generazione o F₂ la ricomparsa dei caratteri scomparsi che chiamò recessivi.

I caratteri dominanti e recessivi comparivano nella F₂ nel rapporto di 3:1 circa.

Mendel intuì che la comparsa e la scomparsa dei caratteri antagonisti e le loro proporzioni costanti nella F₂ potevano essere spiegate ammettendo che le caratteristiche fossero determinate da fattori discreti (separabili). Questi fattori dovevano trovarsi nelle piante F₁ in coppie: un componente di ogni coppia era ereditato dal padre e l'altro dalla madre. I fattori di queste coppie si separavano di nuovo quando le piante mature F₁ producevano le cellule sessuali, formando due tipi di gameti, ognuno con un componente della coppia.

Legge della segregazione o 1° legge di Mendel ogni individuo ha coppie di fattori per ogni carattere e i membri di una coppia si separano durante la formazione dei gameti.

Conseguenze della segregazione

Ogni gene può esistere in forme diverse dette alleli. Sono rappresentati con delle lettere: lettere maiuscole ai caratteri dominanti, lettere minuscole ai caratteri recessivi.

Se i due alleli sono uguali allora l'organismo è detto omozigote per quel carattere; se i due alleli sono diversi tra loro l'organismo è detto eterozigote.

Quando si formano i gameti, gli alleli vengono trasmessi ad essi, ma ogni gamete riceve soltanto un allele per ogni gene.

Un allele dominante è quello che manifesta la sua particolare caratteristica nella condizione eterozigote (Aa) come in quella omozigote (AA); un allele recessivo è quello che manifesta la sua particolare caratteristiche soltanto nella condizione omozigote (aa).

L'aspetto esteriore e le altre caratteristiche osservabili di un organismo determinano il suo fenotipo.

Attenzione: anche se un allele recessivo può non manifestarsi nel fenotipo, ogni allele di una coppia esiste sempre indipendentemente e come unità distinta dell'assetto genetico, o genotipo, di un organismo.

Quadrato di Punnett

Il simbolo femminile    identifica la pianta che produce i gameti femminili;

il simbolo maschile identifica la pianta che produce i gameti maschili.

Il testcross

Incrociando piante F₁ con fiori porpora (Ww) con piante con fiori bianchi (ww) se l'ipotesi di Mendel è corretta, i risultati sarebbero differenti da quelli del suo primo esperimento (tutti porpora) infatti si hanno 2 fiori porpora  (Ww e Ww) e 2 fiori bianchi (ww e ww).

Testcross è un incrocio sperimentale tra un individuo con fenotipo dominante (e genotipo sconosciuto) per un dato carattere e un altro individuo con fenotipo recessivo (e perciò omozigote per l'allele recessivo).

Legge dell'assortimento indipendente

Seconda serie di esperimenti prendendo in considerazione solo due caratteri: lisci o rugosi e gialli o verdi.

F₁ tutti gialli e lisci.

Autoimpollinazione della F₁ F₂ 556 semi di cui:

315 presentano i caratteri dominanti liscio giallo;

32 presentano la combinazione dei caratteri recessivi verde e rugoso;

101 erano rugosi e gialli;

108 erano lisci e verdi.

Si ha la comparsa di nuove combinazioni, i caratteri "colore" e "forma" si comporantano come se fossero completamente indipendenti l'uno dall'altro 2° legge di Mendel o dell'assortimento indipendente: "quando si formano i gameti gli alleli di un gene segregano (si separano) indipendentemente dagli alleli di un altro gene".

Però se si considerano i due caratteri indipendentemente si vede che il rapporto 3:1 è mantenuto.

Il fenotipo della F₂ sarà in media nel rapporto di 9:3:3:1. Su 16:

9 hanno i caratteri dominanti;

carattere recessivo;

3 e 3 sono le due combinazioni alternative di caratteri dominanti e recessivi.

Il rapporto 9:3:3:1 si verifica sia quando uno dei due individui di partenza è omozigote per entrambi i caratteri recessivi e l'altro è omozigote per entrambi i caratteri dominanti (RRYY * rryy), sia quando entrambi sono omozigoti dominanti per un carattere e recessivi per l'altro (rrYY * RRyy)

Mendel e le Leggi della Probabilità

Legge del prodotto delle probabilità: la probabilità che due eventi indipendenti si verifichino insieme è uguale al prodotto delle probabilità dei due eventi presi singolarmente.

È possibile rappresentare queste situazioni con un quadrato di Punnet dimostrando che le combinazioni in ogni quadrato ha le stesse probabilità di verificarsi.

Incontro tra citologia e genetica: l'ipotesi di Sutton

Il lavoro di Mendel rimase ignorato per 35 anni, durante i quali venero individuati i cromosomi e furono osservati e annotati per la prima volta i loro movimenti durante la mitosi e la meiosi.

Nel 1902 Walter Sutton, suppose che i cromosomi fossero portatori dei geni e che gli alleli di un gene si trovassero sui cromosomi omologhi; quindi concluse che gli alleli rimangono sempre indipendenti e vengono separati nella meiosi I quando si separano i cromosomi omologhi. Quando al momento della fecondazione, i gameti si fondono, si possono formare nuove combinazioni di alleli la legge della segregazione degli alleli viene spiegata con dalla segregazione dei cromosomi omologhi durante la meiosi.

La 2° legge è giusta a patto che i geni siano situati su due distinte coppie di cromosomi omologhi.

Di conseguenze i fattori descritti da Mendel, cioè i geni sono portati dai cromosomi.

La genetica classica

Genetica classica è il periodo dopo il 1902 in cui per circa 50 anni i ricercatori eseguirono una grande varietà di esperimenti di incrocio con molti e differenti tipi di organismi, contemporaneamente a numerose ricerche di carattere citologico.

Vi fu una migliore comprensione dei principi fondamentali dell'ereditarietà.

Ampliamento del concetto di gene

Si scoprì che gli effetti fenotipici di un certo gene sono influenzati non solo dagli alleli di quel gene, ma anche da altri geni presenti nell'organismo e dall'ambiente. Inoltre, la maggior parte dei caratteri è sicuramente influenzata da più di un gene, proprio coma la maggior parte dei geni può influenzare più caratteri. Ma la cosa più sorprendente e che i geni possono subire dei cambiamenti.

Mutazioni

Nel 1902 un botanico olandese, Hugo de Vries, eseguì esperimenti sull'ereditarietà mendeliana sulla rapunzia europea e vide che a volte appariva un carattere che non era presente in nessuno dei due genitori né in alcun antenato di quella particolare pianta. Ipotizzò che tali caratteri comparissero in seguito a improvvisi cambiamenti avvenuti nei geni e che le caratteristiche determinate da un gene modificato fossero poi trasmesse come ogni altro carattere ereditario.

Chiamò tali bruschi cambiamenti ereditari mutazioni e gli organismi con tali mutazioni mutanti.

Le mutazioni fecero comprendere ancora meglio la teoria evolutiva di Darwin (come anche le leggi di Mendel: la segregazione degli alleli spiegava come la variazione si conservasse da una generazione a un'altra e l'assortimento indipendente spiegava come certi individui potessero avere combinazioni di caratteristiche che non erano presenti nei genitori). Grazie alle mutazioni nelle popolazioni naturali c'è un'ampia gamma di variabilità. In un ambiente complesso o mutevole una particolare variazione potrebbe dare un live vantaggio a un individuo o ai suoi discendenti, verificando quello che Darwin aveva osservato in alcuni organismi.

Interazioni all'eliche

Dominanza incompleta è un fenomeno in cui il fenotipo dell'eterozigo è in termedio tra quelli dei due omozigoti, è il risultato degli effetti combinati dei prodotti genici. Esempio le bocche di leone: da rosso (R) e bianco (r) si ottengono eterozigoti (Rr) di colore rosa.

Alleli Codominanti in cui gli eterozigoti esprimono contemporaneamente entrambi i fenotipi omozigoti.

Esempio il sangue umano di tipo AB, sia caratteristiche al tipo A che B.

Alleli multipli

Ogni organismo diploide può avere soltanto due alleli per ogni gene, ma in una popolazione di organismi possono essere presenti più di due forme di un gene si hanno degli alleli multipli che derivano da differenti mutazioni dello stesso gene. (Esempio il sangue umano).

I 4 gruppi sanguigni sono determinati da un gene che ha tre alleli (A, B, O). Dal punto di vista fenotipici i gruppi sanguigni sono caratterizzati da particolari polisaccaridi presenti sulla superficie dei globuli rossi e da specifici anticorpi presenti nel plasma sanguigno.

Gli alleli A e B sono codominanti mentre l'allele O è recessivo:

A (AA o OA) i globuli rossi portano il polisaccaride A e il plasma contiene anticorpi contro il polisaccaride B e non contro il polisaccaride A che è presente nel plasma;

B (BB o BO) i globuli rossi portano il polisaccaride B e il plasma contiene anticorpi contro il polisaccaride A;

AB hanno entrambi i polisaccaridi A e B, ma nel plasma non vi è nessun anticorpo;

O non hanno nessun polisaccaride, ma hanno sia anticorpi A sia anticorpi B.

Interazioni geniche

Oltre alle interazioni che avvengono tra alleli dello stesso gene, ci sono anche le interazioni tra alleli di geni differenti. Quando un carattere è influenzato da due o più geni differenti, può apparire un fenotipo del tutto nuovo. In alcuni casi, invece, l'interazione genica non produce alcun nuovo fenotipo, ma un gene può interferire con un altro mascherandone gli effetti. Questo tipo di interazione è detta epistasi.

Alcuni caratteri, come le dimensioni, il peso . sono il risultato complessivo degli effetti combinati di molti geni eredità poligenica.

Un carattere che risente dell'azione di più geni non presenta una netta differenza fra individui, come accadeva per i caratteri considerati da Mendel, ma una gradazione di lievi differenze che è detta variazione continua.

Effetti multipli di un singolo gene

Spesso accade che un singolo gene possa avere effetti multipli sul fenotipo di un organismo: questo fenomeno è detto pleiotropia.

Geni e ambiente

L'espressione di un gene è sempre il risultato della sua interazione con l'ambiente.

Per esempio senza acqua le piante non crescono, senza la temperatura adatta non possono esserci animali o piante.

L'espressione di un gene può essere alterata sia da fattori legati all'ambiente esterno, sia da fattori che dipendono dall'ambiente interno di un organismo, come la temperatura, il pH, le concentrazioni ioniche, gli ormoni ecc.

Esistenza concreta del gene

Determinazione del sesso

Nei maschi i cromosomi legati al sesso sono XY, quando si formano per meiosi i gameti, metà degli spermatozoi possiedono un cromosoma X e metà un cromosoma Y, mentre tutti i gameti prodotti dalla femmina presentano il cromosoma X. Il sesso della prole dipende dalla fecondazione del gamete femminile da parte del gamete maschile portatore del cromosoma X o del gamete portatore del cromosoma Y.

I geni sono localizzati sui cromosomi

Caratteri legati al sesso

Vi sono anche dei caratteri legati al sesso, cioè che si localizzano dei geni sul cromosoma X e Y che inducono alcune caratteristiche diverse se si è maschi XY si hanno delle caratteristiche (in quando si possiede il cromosoma Y), se si è femmine (XX) delle altre.

Gruppi di associazione

L'esposizione ai raggi X aumenta notevolmente la velocità con cui avvengono le mutazioni alcune forme di radiazioni (luce ultravioletta e alcuni prodotti chimici) agiscono da mutageni, cioè da agenti in grado di produrre mutazioni.

Gli alleli di due geni differenti segregheranno sempre indipendentemente se i geni sono posti su coppie differenti di cromosomi omologhi. Se, invece, gli alleli dei due geni si trovano sulla stessa coppia di omologhi, allora la segregazione degli alleli di un gene non potrà essere indipendente dalla segregazione degli alleli dell'altro gene se gli alleli di due geni differenti sono sullo stesso cromosoma, duente la meiosi dovrebbero essere trasmessi entrambi allo stesso gamete. Questi tipi di geni, che tendono a rimanere insieme perché situati sulla stessa coppia di cromosomi omologhi si dicono appartenenti allo stesso gruppo di associazione.

Mappe cromosomiche

Con la scoperta del crossing over cominciò ad essere chiaro che i geni sono portati dai cromosomi, ma anche che devono essere localizzati in punti particolari o loci dei cromosomi. Inoltre, gli alleli di ogni gene devono occupare loci corrispondenti su cromosomi omologhi, altrimenti lo scambio di parti di cromosomi darebbe luogo a un caos genetico piuttosto che a uno scambio preciso di alleli si apri il concetto di mappe cromosomiche.

Sturtevant intuì che la percentuale di ricombinazione avesse probabilmente qualcosa a che fare con la distanza fisica tra i logi genici. I presupposti di Sturtevant erano che:

i geni fossero disposti sui cromosomi in una serie lineare;

geni vicini fossero separati da crossing over meno frequentemente di geni più lontani;

dovesse essere possibile, determinando la frequenza di ricombinazione, tracciare la sequenza dei geni lungo i cromosomi e conoscere la distanza relativa tra essi

Da allora si incominciò a tracciare mappe cromosomiche con queste basi.

Le basi chimiche dell'ereditarietà: la doppia elica

Sulle tracce del DNA

Il DNA è costituito da nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da una base azotata, dallo zucchero deossiribosio e da un gruppo fosfato. Vi sono due tipi di basi azotate:

le purine che presentano una struttura a due anelli;

le pirimidine che hanno una struttura con un solo anello.

Nel DNA vi sono due tipi di purine, adenina (A) e la guanina (G) e due tipi di pirimidine, la citosina (C) e la timina (T).

I batteriofagi sono dei gruppi di virus che attaccano i batteri. La loro analisi chimica rivelò che sono costituiti quasi esclusivamente da DNA e proteine, ma si riuscì a dimostrare che è solamente il DNA dei batteriofagi ad essere coinvolto nel processo di duplicazione costituisce il materiale ereditario.

Linus Pauling aveva dimostrato nel 1950 che le proteine sono spesso disposte in modo elicoidale e vengono mantenute in questa disposizione da legami a idrogeno che si formano tra le spire adiacenti dell'elica.

Risultati molto importanti furono trovati da Chargaff, ed indicavano che la proporzione dei nucleotidi di DNA contenenti timina e di quelli contenenti adenina è di circa 1:1, e lo stesso valeva per guanina e citosina.

Il modello di Watson e Crick

Partendo da questi dati Watson e Crick cercarono di costruire un modello di DNA che fosse in accordo con i gatti già noti e spiegasse il ruolo biologico del DNA.

Il DNA è una doppia elica molto lunga e spiralizzati. Ogni base è legata in modo covalente alla subunità glucidica posta nel tratto di montante adiacente ad essa. Le basi appaiate si incontrano sull'asse centrale dell'elica e sono unite da legami a idrogeno. La distanza tra i due filamenti è di 2 nm. Watson e Crick scoprirono che non solo le purine non possono appaiarsi con altre purine, e le pirimidine con altre pirimidine, ma, a causa della struttura delle basi azotate, l'adenina poteva appaiarsi soltanto con la timina mediante due legami a idrogeno (A=T) e la guanina soltanto con la citosina, formando 3 legami a idrogeno (G C). Le basi appaiate erano complementari.

Inoltre i filamenti hanno una direzione: in ogni filamento ciascun gruppo fosfato è attaccato a una molecola di zucchero in posizione 5' (il quinto atomo di carbonio dell'anello dello zucchero) e a un'altra molecola di zucchero in posizione 3'

All'interno della doppia elica i due filamenti corrono in senso opposto i filamenti vengono definiti antiparalleli.

Lungo una catena della doppia elica i nucleotidi possono essere disposti in un ordine qualunque, ma la loro sequenza determinerà l'ordine dei nucleotidi dell'altra catena, in quando le basi azotate sono complementari l'appaiamento avrà luogo solamente tra G con C e A con T.

Duplicazione del DNA

Nel momento della duplicazione dei cromosomi la molecola si apre a metà come una cerniera-lampo e le basi appaiate si separano a livello dei legami a idrogeno. A meno a meno che i due filamenti si separano, essi fungono da stampo, ciascuno dirige la sintesi di un nuovo filamento complementare utilizzando il materiale grezzo contenuto nella cellula.

Se sul vecchio filamento è presente T, soltanto A potrà prendere il suo posto sul nuovo filamento; G si appaierà soltanto con C ogni filamento forma una copia di quello a cui era appaiato originariamente e vengono prodotte alla fine due copie identiche della molecola iniziale.

Meccanismo di duplicazione del DNA

La duplicazione del DNA è un processo che si vernicia una sola volta a ogni generazione cellulare, durante la fase S del ciclo cellulare ed è l'evento portante della duplicazione dei cromosomi. Nella maggior parte delle cellule eucariote la duplicazione del DNA è seguita dalla mitosi mentre nelle cellule che danno origine a gameti viene seguita dalla meiosi.

La duplicazione inizia sempre da una specifica sequenza di nucleotidi, detta punto di origine della duplicazione, che richiede particolari proteine di attivazione ed enzimi che spezzino nel punto di origine della duplicazione i legami a idrogeno che tengono unite le basi azotate complementari, aprendo così la doppia elica. Una volta che i due filamenti sono separati, altre proteine si attaccano ai singoli filamenti per tenerli separati. La sintesi del nuovo filamento è catalizzata da un gruppo di enzimi noti come DNA-polimerasi.

La regione di sintesi sembra quasi un occhio detto bolla di duplicazione. A entrambe le estremità della bolla, dove i vecchi filamenti vengono separati e stanno per essere sintetizzati i nuovi filamenti complementari, la molecola forma una struttura a Y nota come forcella di duplicazione. La duplicazione avviene in due direzioni opposte rispetto al punto di origine è bidirezionale.

Nei procarioti vi è un unico punto di origine della duplicazione, mentre negli eucarioti ve ne sono molti in ogni cromosoma.

Un aspetto significativo della duplicazione del DNA è che la DNA-polimerasi ha una funzione di proofreading (correzione della lettura). Durante la sintesi possono avvenire alcuni errori quale l'aggiunta di un nucleotide sbagliato al filamento in costruzione ma la DNA-polimerasi è in grado di aggiungere nucleotidi al filamento solo se i nucleotidi già inseriti sono appaiati esattamente ai loro nucleotidi complementari sul filamento stampo. Se si verifica un errore, l'enzima inverte la propria direzione di marcia, rimovendo i nucleotidi fino a che incontra un nucleotide correttamente appaiato. A questo punto l'enzima inizia di nuovo a muoversi in avanti aggiungendo nucleotidi al filamenti in crescita.

Ma oltre al proofreading altri enzimi controllano costantemente la doppia elica del Dna della cellula, ciò perché la duplicazione è un processo fondamentale per il mantenimento dell'integrità del dispositivo genetico.

Il codice genetico e la sua traduzione

Geni e proteine

Negli anni '40 i biologi cominciarono a capire che tutte le attività biochimiche della cellula dipendono da differenti enzimi specifici. Inoltre la specificità dei diversi enzimi era il risultato della loro struttura primaria, la sequenza lineare degli amminoacidi della molecola proteica.

Bearle e Tatum furono in grado di dimostrare che a una certa mutazione corrispondeva la perdita di funzionalità di un certo enzima un particolare gene è responsabile di un determinato enzima un gene - un enzima.

Ma in seguito si vide che molte proteine non sono enzimi, anche se sono sempre determinate da geni si adotto la notazione un gene - una catena polipeptidica, visto che gli enzimi sono derivati da catene polipeptidiche.

L'elettroforesi permette di osservare il comportamento di molecole organiche disciolte in una soluzione e sottoposte all'azione di un debole campo elettrico.

Dal DNA alla proteina: ruolo dell'RNA

Capita la duplicazione bisogna capire la traduzione: come fa la successione delle basi azotate a determinare la sequenza degli amminoacidi di una proteina.

Si scopri l'acido ribonucleico (RNA) una sostanza chimicamente simile al DNA ma con tre differenze principali:

nei nucleotidi delll'RNA lo zucchero è il ribosio e non il deossiribosio;

la base azotate timina che si trova nel DNA, non è presente nell'RNA e al suo posto vi è l'uracile (U) che, come la timina, si appaia con l'adenina (U=A);

la maggior parte dell'RNA è composto da un filamento singolo.

Si penso che aveva un ruolo fondamentale nella traduzione dell'informazione genetica. Infatti sia le cellule procariote sia quelle eucariote in grado di produrre grandi quantità di proteine hanno numerosi ribosomi, e i ribosomi sono ricchi di RNA. Inoltre quando una cellula batterica viene infettata da un batteriofagi che contiene DNA, dal DNA virale viene sintetizzato l'RNA prima che cominci la sintesi proteica l'RNA, così come il DNA, contiene informazioni sulla struttura proteica.

RNA messaggero

Le molecole di RNA hanno un solo filamento. Ogni nuova molecola di mRNA viene copiata, o trascritta, da uno dei due filamenti del Dna con lo stesso principio dell'accoppiamento delle basi che regola la duplicazione del DNA.

Il processo detto trascrizione è catalizzato dall'enzima RNA-polimerasi che si muove in direzione da 3' a 5' lungo il filamento stampo del DNA, sintetizzando un nuovo filamento complementare di nucleotidi in direzione da 5' a 3'.

L'RNA messaggero è la copia di lavoro dell'informazione genetica: acquisendo le istruzioni codificate nella molecola di DNA detta la sequenza di amminoacidi che caratterizza le proteine. Quando il suo compito è terminato si scompone nei nucleotidi che lo costituiscono che saranno di nuovo disponibili per la sintesi di altre molecole di mRNA.

Codice genetico

Le proteine contengono 20 amminoacidi differenti, ma il DNA e l'RNA contengono ciascuno solo quattro diversi nucleotidi in quale modo i nucleotidi costituiscono un codice genetico per gli amminoacidi?

Ogni amminoacido deve essere determinato da almeno 3 nucleotidi 4 * 4 * 4 = 64 combinazioni possibili o codoni.

Molte di queste combinazione determinano lo stesso amminoacido, infatti 61 determinano particolari amminoacidi, mentre 3 sono segnali di arresto. Stesso i codoni ai quali corrisponde lo stesso aminoacido differiscono solo per il terzo nucleotide.

Il codice genetico è identico praticamente in tutti gli organismi UUA codifica l'amminoacido leucina non solo nei procarioti, ma anche nei protesti, funghi, piante ecc.

Ma vi sono alcune eccezioni, la maggior parte riguarda i mitocondri, i quali contengono un proprio DNA trascrivono le loro molecole di RNA e svolgono alcune sintesi proteiche. Infatti il codice mitocondriale differisce da quello cromosomico.

Sintesi Proteica

Particolari sequenze nucleotidiche del DNA, dette promotori, sono i siti di legame per l'RNA-polimerasi costituiscono il segnale di partenza per la sintesi dell'RNA. Altre sequenza, dette sequenze di terminazione, sono il segnale di arresto della sintesi dell'RNA, marcando i punti presso cui termina la trascrizione.

Vi sono altri due tipi di RNA, l'rRNA e il tRNA che differiscono sia per la struttura sia per la funzione.

RNA ribosomiale e RNA di trasporto

I ribosomi sono i siti della sintesi proteica e sono costituiti per un terzo da proteine e per due terzi da RNA. Il tipo di RNA è detto RNA ribosomiale. Ogni ribosoma è formato da due subunità. La subunità più piccola ha un sito di legame per l'RNA messaggero: l'estremità iniziale (5') dell'mRNA si stacca a questo sito di legame anche se il resto della molecola è ancora in fase di trascrizione. La subunità più grande ha due siti di legame per gli RNA di trasporto.

Le molecole di tRNA sono paragonate a un dizionario bilingue mediante il quale il linguaggio degli acidi nucleici è tradotto nel linguaggio delle proteine. Hanno una caratteristica configurazione a trifoglio con tre punti caratteristici:

All'estremità 3' della molecola vi è il sito di attacco per il suo amminoacido specifico;

sito di attacco è localizzato nella parte opposta della struttura tridimensionale, si trova su uno dei bracci della molecola; questo sito è costituito da tre nucleotidi che formano un anticodone, il quale è complementare a uno specifico codone nell'mRNA;

terza regione funzione come sito di riconoscimento per un enzima chiamato aminoacil-tRNA-sintetasi. Nella cellula vi sono almeno 20  diversi amminoacil-tRNA-sintetasi, una o più di una, per ogni amminoacido. Tutti questi enzimi hanno un sito di legame per un dato amminoacido e per la relativa molecola di tRNA.

Traduzione

La sintesi proteica è detta traduzione è il trasferimento di informazioni da un linguaggio (acidi nucleici) a un altro (amminoacidi). Si svolge in tre fasi:

Inizio: comincia quando la subunità ribosomiale più piccola si attacca al filamento di mRNA presso l'estremità 5', ponendo in evidenza il primo codone di questo filamento. Poi, il primo tRNA si colloca in modo da appaiarsi col codone d'inizio dell'mRNA. Questo codone è in genere (5')-AUG-(3') ed è complementare all'anticode (3')-UAG-(5') del tRNA. La combinazione fra la subunità ribosomiale più piccole, l'mRNA e il tRNA d'inizio è detta complesso d'inizio. Una volta che si è formato, la subunità ribosomiale più grossa si attacca a quella più piccola e il tRNA d'inizio, con il suo fMet (forma modificata dell'aminoacido metionina che è attaccata nell'anticodone), si incastra nel sito P (peptide) della subunità più grossa, che è uno dei due siti di legame col tRNA. L'energia necessaria per questa tappa, che completa la fase iniziale, viene fornita dell'idrolisi del guanosin trifosfato (GTP);

Allungamento: il secondo codone dell'mRNA si colloca di fronte al sito A (amminoacile) della subunità di dimensioni maggiori. Un tRNA con un anticodone complementare al secondo codone di mRNA si incastra sulla molecola di mRNA. Una volta occupati entrambi i siti, si forma un legame peptidico tra i due amminoacidi, attaccando il primo (fMet) al secondo. Il primo tRNA viene liberato. Il ribosoma poi sposta avanti un codone della catena di mRNA, e di conseguenza il secondo tRNA, al quale ora sono attaccati fMet e il secondo amminoacido, passa dalla posizione A alla posizione P; un terzo complesso amminoacido-tRNA si sposta nella posizione A, adesso libera, di fronte al terzo codone dell'mRNA, e l'operazione si ripete;

Terminazione: verso l'estremità della sequenza della molecola di mRNA è presente uno o più di uno dei tre codoni che hanno la funzione di segnale di terminazione. Non esistono tRNA con anticodoni corrispondenti a questi codoni e, di conseguenza, nel sito A non entrerà alcun tRNA la traduzione cessa, la catena polipeptidica è rimossa e le due subunità ribosomiali si separano.

Un gruppo di ribosomi che legge la stessa molecola di mRNA è detto polisoma o poliribosoma, essi rendono possibile la rapida sintesi di copie multiple di un polipeptide a partire dalle istruzioni trasportate da un'unica molecola di mRNA.

Struttura dei cromosomi e regolazione dell'espressione genica

Il cromosoma procariote

Il cromosoma procariote è formato da una sola catena continua (circolare) di DNA a doppio filamento dello spessore di solo 2 nanometri. All'interno della cellula il cromosoma è compattato dentro a una struttura di torma irregolare dette nucleoide.

Regolazione dell'espressione genica nei procarioti

La trascrizione avviene tramite la sintesi di una molecola di mRNA lungo un filamento di stampo del DNA. Inizia quando l'enzima RNA-polimerasi aderisce al DNA in un sito specifico, promotore. La molecola dell'RNA-polimerasi si lega strettamente al promotore e provoca l'apertura della doppia elica del DNA, iniziando la trascrizione.

Un segmento di DNA che codifica per un polipeptide è noto come gene strutturale. Una cellula non produce tutte le proteine possibili in continuazione, ma solo quando queste si rendono necessarie e solo nel quantitativo richiesto, in altri casi, la presenza di una determinata sostanza alimentare può inibire la sintesi di particolari proteine.

Benché la regolazione della sintesi proteica possa teoricamente avvenire in molti momenti del processo biosintetico, nei procarioti essa si verifica prevalentemente a livello della trascrizione. La regolazione prevede interazioni fra l'ambiente chimico della cellula e le particolari proteine di regolazione, codificate da geni di regolazione. Le quali possono agire sia da controllo negativo (impedendo la trascrizione dell'mRNA), sia da controllo positivo (favorendo). Il fatto che l'mRNA venga immediatamente tradotto in proteine (prima che la trascrizione sia completata) e che venga rapidamente demolito aumenta l'efficienza di questa strategia di regolazione.

L'operone

Regolazione della trascrizione si basa sul modello dell'operone. Esso comprende il promotore, uno o più geni strutturali e un'altra sequenza di DNA nota come operatore, che è una sequenza di nucleotidi posta fra il gene promotore e i geni, o il gene, strutturali. La trascrizione dei geni strutturali è regolata dall'attività di un altro gene ancora, il regolatore, che può trovarsi in qualsiasi punto del cromosoma batterico. Esso codifica per una proteina, repressore, che si lega all'operatore. Si possono avere due casi:

quando un repressore è legato all'operatore ostacola il promotore la RNA-polimerasi non può legarsi alla molecola di DNA non avviene la trascrizione;

se viene rimosso il repressore, la RNA-polimerasi può legarsi all'operatore avviene la trascrizione.

Questa capacità (di legarsi o meno all'operatore) dipende, a sua volta, da un'altra molecola che attiva o disattiva il repressore di quel particolare operone. Una molecola che attiva un repressore è detta corepressore, una che lo disattiva è detta induttore.

Il cromosoma eucariote

Differenze:

maggiore quantità di DNA nei cromosomi eucarioti;

un gran numero di segmenti ripetuti in questo DNA;

una stretta associazione del DNA con le proteine che hanno un ruolo importante nella struttura cromosomica;

una complessità ben maggiore nell'organizzazione delle sequenze di DNA che codificano per le proteine e nella regolazione della loro espressione.

Struttura del cromosoma

Nel nucleo il DNA si trova sempre combinato con le proteine. Questa combinazione si chiama cromatina (alta sensibilità verso i coloranti). Essa è per più di metà costituita da proteine detti istoni, che sono carichi + (basici) e perciò sono attratti dal DNA carico - (acido); sono sempre presenti nella cromatina e vengono sintetizzati in grande quantità durante la fase S del ciclo cellulare. Sono i principali responsabili del ripiegamento e dell'avvolgimento del DNA.

L'unità fondamentale in cui viene ammassata la cromatina è il nucleosoma. Ogni nucleosoma è formata da una parte centrale costituita da otto molecole di istoni intorno alla quale si avvolge due volte il filamento di Dna. Un'altra molecola istonica si trova lungo il DNA, esternamente alla parte centrale del nucleosoma. Un ulteriore compattamento dei nucleosomi dà origine a una fibra di circa 30 nm; un'ulteriore condensazione si verifica quando questa fibra forma una serie di anse dette domini ad ansa; anche essi si spiralizzano fino a che gruppi di domini ad ansa vicini si condensano per dare origine, alla fine a dei cromosomi compatti che diventano visibili durante la mitosi e la meiosi.

Altre proteine associate al cromosoma sono gli enzimi impegnai nella sintesi del DNA e dell'RNA e le proteine di regolazione, ma queste a differenza degli istoni variano in base al tipo di cellula.

Regolazione dell'espressione genica negli eucariote

Poiché ogni tipo di cellula produce soltanto le sue proteine caratteristiche, e non le proteine caratteristiche di altri tipi di cellule, appare chiaro che il differenziamento delle cellule di un organismo pluricellulare dipende dall'inattivazione di certi gruppi di geni e dall'attivazione di altri.

Condensazione del cromosoma ed espressione genica

La colorazione del DNA rivela due tipi di cromatina:

l'eucromatina: più dispersa e si colora debolmente;

l'eterocromatina: più condensata e si colora più intensamente.

Durante l'interfase, l'eterocromatina rimane condensata mentre l'eucromatina si disperde: la trascrizione del DNA in RNA avviene solo durante l'interfase l'eucromatina essendo meno condensata è più accessibile alle molecole di RNA-polimerasi.

Alcune regioni di eterocromatina sono uguali in tutte le cellule e non vengono mai espresse: come la cromatina molto condensata che si trova presso il centromero del cromosoma. Al contrario, il grado di condensazione di altre regioni della cromatina varia da un tipo di cellula all'altro dello stesso organismo, dimostrando così che tipi diversi di cellule sintetizzano proteine differenti e perciò richiedono la trascrizione di segmenti differenti di DNA. Infatti, quando una cellula si differenzia durante lo sviluppo embrionale, il rapporto tra eterocromatina ed eucromatina aumenta a mano a mano che le cellule si specializzano.

Regolazione mediante specifiche proteine di legame

Come nei procarioti la trascrizione è regolata anche da proteine che si legano a siti specifici della molecola. Un gene di un organismo pluricellulare sembra essere influenzato dall'azione congiunta di molte diverse proteine di regolazione che tendono ad attivarlo o disattivarlo. I siti in cui si legano possono essere lontani centinaia o migliaia di coppie di basi azotate dalla sequenza promotore presso cui si lega l'RNA-polimerasi e inizia la trascrizione è difficile individuare le molecole di regolazione.

Il DNA del cromosoma eucariote

Studi sul DNA delle cellule eucariote hanno rilevato due fatti sorprendenti:

la quantità di DNA per cellula è la stessa in ogni cellula diploide di una data specie, ma le variazioni tra specie differenti sono enormi;

in tutte le cellule eucariote sembra esserci DNA in notevole eccesso o, perlomeno, del DNA le cui funzioni sono sconosciute (nel corpo umano si pensa che solo 1% venga utilizzato per la sintesi). Mentre nei procarioti si utilizza quasi il 100%.

Classi di DNA: sequenze ripetitive e non-ripetitive

Il DNA delle cellule eucariote può essere classificato in tre classi generali:

DNA a sequenza semplice, formata da brevi sequenze ripetitie disposte in tandem (testa-coda). Sono lunghe in genere 5-10 coppie di basi azotate e sono presenti in gran numero. Si pensa che sia di fondamentale importanza per la struttura del cromosoma;

Sequenze ripetitive interposte, lunghe in genere 150-300 nucleotidi. Talvolta sono disposte in tandem, una dopo l'altra, ma più frequentemente sono sparse nel DNA. Circa il 20-40% del Dna di un organismo pluricellulare è formato da sequenze ripetitive interposte. Alcune di queste sequenze non sono identiche tra loro, ma soltanto simili, e si dice che formano famiglie geniche;

DNA a copia unica, in cui ogni sequenza è presente una volta sola o in poche copie (circa 50-70%). Tranne i geni per gli istoni e i componenti delle famiglie geniche, tutti i geni che codificano per le proteine appartengono a questa classe di DNA.

Introni ed esoni

Ma le sequenze dei geni codificanti per le proteine di solito non sono continue, ma sono invece interrotte da sequenze non codificati, queste sono dette sequenze intercalari, o introni, mentre le sequenze codificanti, cioè quelle che sono tradotte in proteine, sono chiamate esoni.

Gli introni sono presenti non in tutti, ma nella maggior parte dei geni strutturali degli eucariote pluricellulari.Vengono trascritti nelle molecole di RNA e poi eliminati prima della traduzione. Un'ipotesi del loro funzionamento è che favoriscono la ricombinazione; durante la meiosi è molto più probabile che il crossing over avvenga nei geni contenenti gli introni piuttosto che nei geni contenenti gli introni piuttosto che nei geni che ne sono privi, proprio a causa delle distanze che si interpongono. Si è anche visto che, in taluni casi, esoni diversi codificano per differenti segmenti strutturali e funzionali della proteina completa.

Trascrizione ed elaborazione dell'mRNA negli eucariote

A grandi linee, la trascrizione negli eucarioti è uguale a quella che avviene nei procarioti. Essa inizia con l'attacco di una RNA-polimerasi a una particolare sequenza nucleotidica, il promotore, sulla molecola di DNA. L'enzima si sposta poi lungo la molecola usando il filamento in direzione da 3' a 5' come stampo per la sintesi di molecole di RNA. Le molecole di RNA trascritte svolgono quindi le loro specifiche funzioni nella traduzione in proteine delle informazioni genetiche codificate.

Ma vi sono importanti differente tra cellule procariote ed eucariote:

i geni eucarioti non sono raggruppati in operoni nei quali uno o più geni strutturali vengono trascritti in un'unica molecola di RNA: ogni gene strutturale viene trascritto separatamente e la sua trascrizione ha dei sistemi di controllo specifici;

negli eucarioti trascrizione e traduzione sono separate nel tempo e nello spazio. Dopo che nel nucleo la trascrizione è terminata, i trascritti di mRNA vengono ampiamente modificati prima di essere trasportati nel citoplasma, dove avviene la traduzione. Prima che le molecole di mRNA modificato lascino il nucleo, gli introni vengono eliminati e gli esoni sono saldati insieme in sequenza per formare un'unica molecola continua. Il meccanismo di saldatura (splicing) è molto preciso.

Sia nei procarioti sia negli eucarioti i segmenti di DNA possono spostarsi da un punto all'altro del cromosoma, possono entrare o uscire dal cromosoma, possono spostarsi da un cromosoma all'altro e talvolta persino da un organismo all'altro.

Geni in movimento

Plasmidi e coniugazione

Sebbene il cromosoma batterico contenga tutti i geni necessari alla crescita e alla riproduzione della cellula, si è scoperto che praticamente tutti i tipi di batteri contengono altre molecole di Dna conosciute come plasmiti, che possono contenere da due a una trentina di geni. Come il cromosoma batterico anche i plasmidi sono circolari e autoduplicanti. Possono essere presenti in singola copie o in più copie in una cellula.

Il plasmidi F

È stato il primo plasmidi ad essere identificato. Contiene circa 25 geni, molti dei quali controllano la produzione di lunghe strutture proteiche a forma di bastoncino, i pili, che si estendono dalla superficie della cellula contenente il plasmidi F, queste cellule sono dette cellule F⁺, mentre quelle prive sono cellule F^-. Le cellule F⁺ possono attaccarsi alle cellule F^- per mezzo dei pili e trasferire una copia del loro plasmidi F attraverso ponti citoplasmatica. Questo trasferimento di DNA da una cellula a un'altra mediante il contatto cellula-cellula è noto come coniugazione. Il trasferimento di un plasmide F in coniugazione conferisce alla cellula ricevente la capacità di produre pili e di trasferire il plasmidi F.

Il fattore F può essere indipendente all'interno della cellula, oppure può integrarsi nel cromosoma batterico in questo modo diventa possibile il trasferimento di una porzione dello stesso cromosoma da una cellula a un'altra un filamento singolo di DNA passa in una cellula F^- che andrà a sostituire quello vecchio nel cromosoma della cellula ricevente.

I virus

La struttura

Sono costituiti essenzialmente da una molecola di acido nucleico racchiusa in un involucro proteico o capside che può essere costituito da un'unica molecola proteica ripetuta più e più volte, oppure essere formato da diversi tipi di proteine.

Un virus può infettare una cellula solo se questo tipo di cellula possiede sulla sua superficie i recettori a cui possono legarsi le proteine virali.

I virus non contengono citoplasma né dispositivi metabolici e possono moltiplicarsi solo all'interno di una cellula viva. All'interno della cellula ospite l'acido nucleico virale dirige la produzione di nuovi virus.

L'acido nucleico può essere costituito da DNA o da RNA, a filamento singolo, o doppio, circolare o lineare. Quando i virus a DNA infettano una cellula si verificano due processi:

il DNA virale si duplica, formando molte molecole di DNA e viene trascritto in mRNA che dirige la sintesi delle proteine virali;

l'RNA si duplica producendo molti RNA virali, ma viene anche utilizzato direttamente come mRNA.

Il cromosoma virale codifica sempre per le proteine del rivestimento e per uno o più enzimi coinvolti nella duplicazione del cromosoma virale. Nella maggior parte dei virus i cromosomi codificano anche per gli enzimi che, una volta assemblate le nuove particelle virali, li rendono capaci di lisare (demolire) la cellula ospite e di fuoriuscire.

Il ciclo infettivo è completo quando le molecole di acido nucleico virale appena sintetizzate vengono avvolte in nuovi involucri proteici e le particelle virali fuoriescono dalla cellula ospite.

Virus come vettori

Anche i virus possono fungere come vettori, o carrier, che spostano pezzi di DNA da una cellula a un'altra.

Un esempio sono i DNA dei batteriofagi temperati che possono integrarisi nei siti specifici del cromosoma ospite e duplicarsi insieme al cromosoma stesso.

Questi batteriofagi integrati sono noti come profani e i batteri che li proteggono sono chiamati batteri lisogeni.

I fagi temperati assomigliano ai plasmidi in quanto:

sono molecole di DNA che si duplicano autonomamente;

possono integrarsi nel cromosoma della cellula batterica.

Differiscono però dai plasmidi per la capacità di produrre un involucro proteico e quindi di poter vivere, ma non duplicarsi, fuori dalla cellula ospite.

Il processo chiamato trasduzione consiste nel trasferimento di DNA cellulare da una cellula ospite a un'altra per mezzo di virus. Nel corso del ciclo litico di molti virus il DNA della cellula ospite si frammenta; quando vengono assemblate le nuove particelle virali, alcuni di questi frammenti di DNA (spezzati a caso) possono essere racchiusi da proteine di rivestimento.

Vi può essere una trasduzione genica in cui i geni portati via agli ospiti possono venire incorporati nel cromosoma della nuova cellula ospite, oppure una trasduzione specifica, quando i profani fuoriescono dal cromosoma ospite per dare inizio a un ciclo litico e sono in grado di portarsi appresso un frammento del cromosoma ospite, ma il DNA della cellula ospite non è scelto a caso, ma è limitato, in modo molto specifico, alla porzione del cromosoma ospite contigua al sito d'inserzione del profago.

Le parti del cromosoma batterico portate da un virus vengono duplicate a mano a mano che il cromosoma virale effettua cicli litici successivi.

Provirus e retrovirus

Alcuni virus degli eucarioti possono venir integrati all'interno del DNA di una cellula ospite. Una volta integrati, questi virus si chiamano provirus. Tali visus sono di due tipi: virus a DNA e retrovirus a RNA.

I virus a DNA possono iniziare un ciclo litico o inserirsi nel dNA cromosomico della cellula ospite.

L'integrazione di un virus a RNA in un cromosoma a DNA pone alcuni particolari problemi che vengono risolti da un importante enzima chiamato trascrittasi inversa. Una volta entrato nella cellula ospite l'RNA virale viene copiato dalla trascrittasi inversa per ottenere una molecola di DNA a doppio filamento che si integra con il cromosoma ospite, e inizia a sintetizzare nuove molecole di RNA virale e proteine.

Geni, virus e cancro

Si ha la prova che i virus, come i mutageni, possono portare a cambiamenti nell'assetto genetico cellulare e che tutti i virus cancerogeni conosciuti sono virus che introducono informazioni nei cromosomi delle cellule opsiti.

Studi effettuati sulle cellule che possono indurre il cancro hanno messo in luce un gruppo di geni detti oncogèni che assomigliano molto ai geni normali delle cellule eucariote nelle quali si trovano. Essi inducono la divisione cellulare incontrollata tipica del cancro quando qualcosa non funziona nell'espressione dei normali geni cellulari, o in seguito a mutazioni degli stessi geni, o a cambiamenti della regolazione genica. Si è rilevato inoltre la presenza di un altro gruppi di geni, detti geni soppressori dei tumori che hanno la funzione apparente di fungere da freno alla divisione cellulare, regolandola con precisione, ma per effetti di mutazione possono smettere di funzionare.

Modi in cui i virus possono provocare il cancro:

a causa della loro presenza sul cromosoma, i virus possono interrompere le funzioni dei normali geni regolari trasformando i geni normali in oncogèni, attivando gli oncogèni o disattivando i geni soppressori dei tumori;

possono codificare per proteine necessarie alla duplicazione virale che influiscono anche sulla regolazione di questi geni cellulari;

possono servire da vettori di oncogèni e possono renderli capaci di muoversi da una cellula a un'altra o da un individuo a un altro.

I trasposoni

Sono dei segmenti di DNA che si spostano da una zona all'altra del cromosoma; essi sono caratterizzati da un gene che codifica per un enzima, la trasposasi, che catalizza la loro inserzione in un nuovo sito.

Nei procarioti sono stati identificati due tipi di trasposoni;

semplice: sono relativamente corti e non possono portare geni al di fuori di quelli che sono essenziali per il processo di trasposizione. Provocano mutazioni, possono contenere anche delle sequenze promotori che possono far iniziare in modo improprio la trascrizione dei geni precedentemente inattivi del cromosoma;

complessi: sono molto più grandi e portano geni che codificano anche per altre proteine, provocano mutazioni. I geni possono spostarsi da un punto all'altro dello stesso cromosoma o da un cromosoma a un altro, e sono perciò conosciuti come geni "che saltano".

I trasposoni eucarioti assomigliano nella struttura ai loro corrispondenti batterici (virus a DNA e retrovirus) possono provocare mutazioni quando si inseriscono nei geni strutturali o nelle regioni del promotore. Differiscono dai precedenti siccome molti trasposoni sono copiati in RNA e poi di nuovo in DNA prima del loro inserimento in un nuovo punto del DNA cromosomica si esegue una trascrizione inversa come nei retrovirus.

Le nuove frontiere della genetica

La tecnologia del DNA ricombinante

La tecnologia del DNA ricombinante utilizza i meccanismi naturali (plasmidi, virus e trasposoni) mediante i quali i geni possono spostarsi da un sito all'altro

Come ottenere brevi segmenti di DNA

Vi è una limitazione dell'infezione virale dovuta alla presenza nei batteri di enzimi (detti enzimi di restrizione) che tagliano le molecole estraneee di Dna in piccoli segmenti prima che vengano duplicati o trascritti. Queste sequenze nucleotidiche specifiche sono in genere lunghe 4-8 paia di basi azotate e sono dette sequenze di riconoscimento in quando vengono "riconosciute" dagli specifici enzimi.

Vi è una preve sequenza di nucleotidi spaiati su ciascuna estremità del taglio. Queste estremità sono dette coesive in quando possono riattaccarsi tra loro quando si formano spontaneamente dei legami a idrogeno fra le basi azotate complementari. Per completare il processo di ricucitura è necessario un tipo di enzima, detto DNA-ligasi, che unisce le estremità tagliate di ciascun filamento. Le estremità coesive possono unirsi con altri segmenti di DNA, tagliati dallo stesso enzima di restrizione inizio alle manipolazioni genetiche.

Come ottenere copie multiple

Clonazione del DNA

Si inserisce del DNA estraneo in un plasmide, che si duplica all'interno della cellula e poiché i plasmidi che contengono il DNA estraneo sono più grandi di quelli che non lo contengono, dopo la duplicazione possono essere facilmente isolati e raccolti. In pratica si producono segmenti di DNA identici che vengono detti cloni.

I plasmidi sono degli utili vettori in quando si moltiplicano rapidamente e sono facilmente inglobati dai batteri attraverso la membrana cellulare.

Reazione a catena della polimerasi (PCR)

Nel 1989 è stato messo a punto un nuovo processo per produrre copie multiple di segmenti di DNA.

A differenza della clonazione, richiede la conoscenza delle sequenze nucleotidiche di ciascuna estremità del segmento di DNA che si vuole copiare. Il DNA campione viene posto in una soluzione che contiene molecole di DNA-polimerasi, grosse quantità dei 4 nucleotidi che si trovano nel DNA e molecole "innesco" di DNA della lunghezza di circa 20 nucleotidi, che siano complementari alle sequenze di ciascuna estremità del segmento desiderato. Se questa soluzione viene scaldata, i due filamenti della doppia elica di DNA si separano; quando si raffredda, le molecole "innesco" si attaccano alle loro sequenze complementari. Le molecole di DNA-polimerasi riconoscono gli "inneschi" e cominciano ad aggiungere nucleotidi nei siti in cui si sono attaccate le sequenze innesco. si producono due filamenti di DNA che vengono copiati contemporaneamente. Al termine della fase iniziale sono presenti due copie del segmento. Poi la soluzione viene ancora scaldata e raffreddata, e, a ogni ciclo, il numero delle copie raddoppia. Con 20 cicli un milione di segmenti.

Come determinare le sequenze nucleotidiche

Uno delle più importanti caratteristiche degli enzimi di restrizione è che enzimi differenti tagliano le molecole di DNA in siti differenti la rottura di una molecola di DNA identica mediante un differente enzima di restrizione produce un differente gruppo di brevi frammenti di DNA. I frammenti di ciascun gruppo possono essere separati tra loro per elettroforesi su gel, poi clonati in copie multiple e conservati in banche dati computerizzate.

Come localizzare segmenti specifici di DNA

Prima che un dato segmento di DNA possa essere clonato, sequenziato o manipolato, deve prima essere localizzato e isolato.

Il metodo utilizzato è l'ibridazione dell'acido nucleico, tecnica che si basa sulla proprietà che hanno le basi azotate degli acidi nucleici di appaiarsi. Quando vengono mescolate delle molecole di DNA provenienti da fonti diverse e poi vengono scaldate, i filamenti si separano e subiscono delle collisioni casuali. Se, mentre la soluzione si raffredda, si incontrano due filamenti con sequenze quasi complementari, essi formeranno una doppia elica ibrida. La quantità con cui i segmenti dei due campioni si riassociano e la velocità con cui avviene questa associazione sono una misura delle somiglianze tra le loro sequenze nucleotidiche.

Si può preparare una sonda incorporando un isotopo radioattivo in un breve segmento di DNA o RNA a filamento singolo, segmento che sia complementare alla sequenza nucleotidica cercata. Le sonde possono essere molecole di mRNA, frammenti di DNA ottenuti con enzimi di restrizione, DNA complementari sintetizzati dall'RNA mediante la trascrittasi inversa, oppure sintetizzati in laboratorio. Una sonda può essere usata per cercare segmenti di DNA o RNA che contengono la sequenza nucleotidica complementare.