Il genoma eucariotico è più grande rispetto al procariotico, possiede più unità regolatrici, gran parte del DNA non codifica proteine, gli eucarioti possiedono cromosomi multipli, la trascrizione e la traduzione sono processi separati.
Il genoma eucariotico è ripetitivo e sono state indivuidati diversi gradi di ripetizione:
- Sequenze altamente ripetitive, non vengono trascritte, non se ne conosce il ruolo
- minisatelliti 10-40 bp x 10^3 volte
- microsatelliti 1-3 bp x 10^1 | 10^2 volte
- Sequenze moderatamente ripetitive, vengono trascritte, codificano tRNA e rRNA
- Trasposoni, sequenze che possono muoversi nel genoma, rappresenta il 40% del genoma umano
- SINE (short interspersed elements), 500bp, trascritti ma non tradotti, 15% del genoma umano
- LINE (long interspersed elements) 700bp, alcuni vengono tradotti in proteine, 17% g.u.
- retrotrasposoni, effettuano una copia in RNA di se stessi, 8% g.u.
- trasposoni a DNA si muovono autonomamente all'interno del genoma.
Il loro spostamento può produrre importanti conseguenze se si inseriscono nella parte codificante, contribuiscono alla variabilità genica.
I geni eucariotici contengono sequenze non codificanti, possono essere raggurappati in famiglie.
Oltre al promotore nella parte codificante è contenuto un terminatore, che è una sequenza dopo il codone di stop, fine traduzione ribosomiale, che comunica la fine di trascrizione all'RNA polimerasi. All'interno della parte codificante si trovano introni, parti che non vengono tradotte, e esoni, che vengono tradotte. Gli introni vengono rimossi dal pre-mRNA e gli esoni vengono uniti. Questo procedimento prende il nome di splicing, è possibile che da uno stesso pre-mRNA possano essere creati diversi tipi di mRNA con splicing alternativo.
Nel nucleo il pre-mRNA assume alle estremità delle molecole che ne garantiscono la stabilità, alla 5' viene aggiunto il cappuccio G e alla 3' una coda di poli A. Tra esoni e introni esistono delle sequenze di consenso a cui legano le molecole snRNP, particelle di acido ribonucleico piccolo. Un complesso di RNA e proteine detto spliceosoma, taglia gli introni e unisce le stremità degli esoni.
Ci sono regolazioni trascrizionali e post-trascrizionali.
I promotri hanno sequenze più variabili rispetto ai procarioti e i geni possono contenere delle informazioni riguardo al loro stesso tasso di trascrizione. A differenza dei procarioti, gli eucarioti hanno bisogno di fattori di trascrizione per far partire la trascrizione all'RNA polimerasi, al TATA box, l'inizio del promotore si deve assemblare un complesso di trascrizione di varie proteine, di cui la prima è il fattore di trascrizione TFIID.
Molto più in là, anche 20000 bp, si trovano delle sequenze amplificatrici, che legano con proteine attivatrici. Esistono anche silenziatori, sequenze di DNA che arrestano la trascrizione e legano con proteine dette repressori.
Altra tecnica è il cambiamento di struttura della cromatina (rimodellamento della cromatina), nei cromosomi, che non contiene solo il DNA ma anche proteine detti istoni, che raccolgono la cromatina in nucleosomi. Alcuni enzimi possono cambiare i legami dei nucleosomi liberando il DNA in modo che il complesso di trascrizione possa compiere la trascrizione.
Altra tecnica è l'amplificazione genica, che consiste nella riproduzione di uno stesso gene più volte nel genoma.
La stabilità dell'mRNA può essere regolata con una revisione al pre-mRNA con inserimento o alterazione dei nucleotidi.
Una molecola poco stabile rimane poco nel citoplasma e va incontro più velocemente al complesso di ribonucleasi esosoma.
Micro RNA possono legare l'mRNA invalidandone la traduzione.
Regolazione della durata della vita di una proteina all'interno della cellula attraverso l'inserimento di gruppi funzionali che fanno da marcatori per un enzima lega la proteina all'ubiquitina che poi verrà riconoscita da un proteosoma che idrolizzerà la proteina.
martedì 24 agosto 2010
Biologia applicata: genetica dei virus e dei procarioti
I virus sono acellulari, i loro genomi sono piccoli e si riproducono rapidamente, di regola sono aploidi. Sono composti da acido nucleico e proteine, non hanno reazioni metaboliche e trasporto di sostanze. Si riproducono infettando le cellule (parassiti intracellulari obbligati) sfruttando il meccanismo di sintesi e poi distruggendo la cellula.
Al di fuori della cellula prende il nome di virione ed è composto da DNA o RNA avvolto in una capside.
La cellula procariotica può inibira la produzione di una proteina per risposte a stimoli ambientali ed efficienza: riducendo la trascrizione dell'mRNA, idrolizzando l'mRNA prima della traduzione, impendendo la traduzione nei ribosomi, idrolizzando la proteina prodotta, inibendo la funzione della proteina.
I composti che stimolano la sintesi sono detti induttori. Le proteine prodotte possono essere inducibili se prodotte in momenti specifici o costituenti se prodotte sempre nella stessa quantità.
Per l'efficienza alcuni geni che producono diverse proteine (geni strutturali) che sono necessarie per la stessa reazione metabolica vengono affiancanti nel DNA (parte codificante) in modo da produrre un unico mRNA, quindi condividono un unico promotore.
Subito dopo il promotore è presente un breve segmento di DNA, detto operatore, che lega con una molecola detta repressore. Quando il repressore è lagato all'operatore la sintesi si blocca.
Le proteine repressore vengono tradotte da geni regolatori (gene i) che si trova nei pressi dell'operatore. Gene i, promotore e operatore (parte regolatrice) è detta operone.
I sistemi inducibili controllano le vie cataboliche in modo che il substrato sia disponibile.
Quando una proteina può essere arrestata a livello di un segnale biochimico è chiamata reprimibile, la proteina reprimibile non può disattivare il suo operone se non è legata a un corepressore (che può essere l'ultimo prodotto metabolico). I sistemi reprimibili controllano le vie anaboliche in modo che siano attive finché il prodotto finale non sia disponibile.
La repressione da cataboliti promuove la produzione di molecole in grado di rendere più efficiente la trascrizione di mRNA da parte dell'RNA polimerasi.
Sistemi inducibili e reprimibili agiscono con controllo negativo sulla trascrizione, perché il repressore impedisce la trascrizione. La repressione da cataboliti invece è un controllo positivo.
Al di fuori della cellula prende il nome di virione ed è composto da DNA o RNA avvolto in una capside.
La cellula procariotica può inibira la produzione di una proteina per risposte a stimoli ambientali ed efficienza: riducendo la trascrizione dell'mRNA, idrolizzando l'mRNA prima della traduzione, impendendo la traduzione nei ribosomi, idrolizzando la proteina prodotta, inibendo la funzione della proteina.
I composti che stimolano la sintesi sono detti induttori. Le proteine prodotte possono essere inducibili se prodotte in momenti specifici o costituenti se prodotte sempre nella stessa quantità.
Per l'efficienza alcuni geni che producono diverse proteine (geni strutturali) che sono necessarie per la stessa reazione metabolica vengono affiancanti nel DNA (parte codificante) in modo da produrre un unico mRNA, quindi condividono un unico promotore.
Subito dopo il promotore è presente un breve segmento di DNA, detto operatore, che lega con una molecola detta repressore. Quando il repressore è lagato all'operatore la sintesi si blocca.
Le proteine repressore vengono tradotte da geni regolatori (gene i) che si trova nei pressi dell'operatore. Gene i, promotore e operatore (parte regolatrice) è detta operone.
I sistemi inducibili controllano le vie cataboliche in modo che il substrato sia disponibile.
Quando una proteina può essere arrestata a livello di un segnale biochimico è chiamata reprimibile, la proteina reprimibile non può disattivare il suo operone se non è legata a un corepressore (che può essere l'ultimo prodotto metabolico). I sistemi reprimibili controllano le vie anaboliche in modo che siano attive finché il prodotto finale non sia disponibile.
La repressione da cataboliti promuove la produzione di molecole in grado di rendere più efficiente la trascrizione di mRNA da parte dell'RNA polimerasi.
Sistemi inducibili e reprimibili agiscono con controllo negativo sulla trascrizione, perché il repressore impedisce la trascrizione. La repressione da cataboliti invece è un controllo positivo.
Biologia applicata: la produzione di energia
Il glucosio è la molecola organica principale nella produzione di energia sottoforma di ATP.
Le vie metaboliche per la produzione di energia agiscono per glicolosi, respirazione cellulare o fermentazione, dipendentemente dalla presenza di O2.
Glicolisi e respirazione cellulare
La glicolisi avvia il metabolismo del C6H12O6 producendo piruvato.
La respirazione cellulare è una reazione altamente esoergonica (1 molecola di piruvato → 32 molecole di ATP) e si serve del piruvato. Utilizza l'O2, quindi è aerobica (1 molecola di piruvato → 3 molecole di CO2). E' suddivisa in 3 tappe: ossidazione del piruvato, ciclo di Krebs (o dell'acido citrico) e catena di trasporto degli elettroni (o catena respiratoria).
Fermentazione
Non richiede O2, quindi è anaerobica, converte il piruvato in acido lattico o alcol etilico ancora carichi energeticamente. (1 molecole di piruvato → 2 molecole di ATP).
L'ossidoriduzione è un processo che trasferisce elettroni tra atomi, ioni, molecole. La riduzione è l'acquisto di elettroni; l'ossidazione è la perdita. Ossidazione e riduzione avvengono sempre insieme, il reagente in riduzione è l'agente ossidante e quello che si ossida è l'agente riducente.
L'ossidoriduzione è una delle reazioni chiave della glicolisi e della respirazione cellulare.
In che modo le vie metaboliche sono interconnesse e controllate?
Interconversioni cataboliche
Polisaccaridi vengono idrolizzati a glucosio; lipidi vengono divisi in glicerolo e acidi grassi, il glicerolo viene convertito in DAP, un intermedio della glicolisi, gli acidi grassi in acteil CoA neli mitocondri, sempre con ossidoriduzione a CO2; le proteine vengono idrolizzate in amminoacidi.
Interconversioni anaboliche
Molte vie cataboliche possono operare al contrario producendo glucosio (gluconeogenesi), l'acetil CoA può essere riconvertito in acidi grassi etc...
Il pool metabolico è la somma di tutte le molecole di una cellula e tende ad essere costante e in equilibrio (omeostasi metabolica). Viene turbato in casi particolari, come la denutrizione.
La fotosintesi
E' un processo metabolico che trasforma energia luminosa in energia presente nei vegetali. Necessita di H20 acquisita da radici e portata alle foglie. Queste hanno delle aperture chiamate stomi che raccolgono CO2 rilasciando H20 e 02.
Si articola in 2 vie. La reazione luminosa in cui la luce viene trasformata in ATP e trasportatori di elettroni. Le reazioni indipendenti dalla luce che usano ATP e CO2 per produrre zuccheri.
Le vie metaboliche per la produzione di energia agiscono per glicolosi, respirazione cellulare o fermentazione, dipendentemente dalla presenza di O2.
Glicolisi e respirazione cellulare
La glicolisi avvia il metabolismo del C6H12O6 producendo piruvato.
La respirazione cellulare è una reazione altamente esoergonica (1 molecola di piruvato → 32 molecole di ATP) e si serve del piruvato. Utilizza l'O2, quindi è aerobica (1 molecola di piruvato → 3 molecole di CO2). E' suddivisa in 3 tappe: ossidazione del piruvato, ciclo di Krebs (o dell'acido citrico) e catena di trasporto degli elettroni (o catena respiratoria).
Fermentazione
Non richiede O2, quindi è anaerobica, converte il piruvato in acido lattico o alcol etilico ancora carichi energeticamente. (1 molecole di piruvato → 2 molecole di ATP).
L'ossidoriduzione è un processo che trasferisce elettroni tra atomi, ioni, molecole. La riduzione è l'acquisto di elettroni; l'ossidazione è la perdita. Ossidazione e riduzione avvengono sempre insieme, il reagente in riduzione è l'agente ossidante e quello che si ossida è l'agente riducente.
L'ossidoriduzione è una delle reazioni chiave della glicolisi e della respirazione cellulare.
In che modo le vie metaboliche sono interconnesse e controllate?
Interconversioni cataboliche
Polisaccaridi vengono idrolizzati a glucosio; lipidi vengono divisi in glicerolo e acidi grassi, il glicerolo viene convertito in DAP, un intermedio della glicolisi, gli acidi grassi in acteil CoA neli mitocondri, sempre con ossidoriduzione a CO2; le proteine vengono idrolizzate in amminoacidi.
Interconversioni anaboliche
Molte vie cataboliche possono operare al contrario producendo glucosio (gluconeogenesi), l'acetil CoA può essere riconvertito in acidi grassi etc...
Il pool metabolico è la somma di tutte le molecole di una cellula e tende ad essere costante e in equilibrio (omeostasi metabolica). Viene turbato in casi particolari, come la denutrizione.
La fotosintesi
E' un processo metabolico che trasforma energia luminosa in energia presente nei vegetali. Necessita di H20 acquisita da radici e portata alle foglie. Queste hanno delle aperture chiamate stomi che raccolgono CO2 rilasciando H20 e 02.
Si articola in 2 vie. La reazione luminosa in cui la luce viene trasformata in ATP e trasportatori di elettroni. Le reazioni indipendenti dalla luce che usano ATP e CO2 per produrre zuccheri.
Biologia applicata: ATP ed enzimi
ATP, adenosintrifosfato, è una molecola composta dal nucleotide adenina, ribosio e 3 gruppi fosfato. Durante l'idrolisi produce una notevole quantità di energia in seguito alla perdita di un gruppo fosfato diventando ADP, adenosindifosfato. Perciò produce una reazione esoergonica.
Cosa sono gli enzimi?
Gli enzimi sono catalizzatori biologici. Dato ΔG non è possibile capire la velocità con cui si compie la reazione. La reazione può rimanere la stessa, ma essere accelerata da catalizzatori. Gli enzimi sono proteine, i ribozimi sono RNA. Un catalizzatore biologico fornisce l'impalcatura su cui si svolge la catalisi chimica.
La barriera energentica rapprensenta la quantità di energia necessaria per dare inizio alla reazione, definita energia di attivazione (Ea). Il superare la barriera energetica permette alle molecole che subiscono la trasformazione di passare in stati instabili defininti stati di transizione.
Gli enzimi sono estremamente specifici in quanto catalizzano reazioni solo per un determinato tipo di molecola. Il nome dell'enzima, spesso termina con il suffisso -asi, riflette la sua funzione.
Le molecole che entrano in contatto con l'enzima sono dette substrato, esse legano ad un particolare sito di legame dell'enzima detto sito attivo, producendo un complesso enzima-substrato.
Come funzionano gli enzimi?
Gli enzimi
- orientano le molecole di substrato in modo di legare gli atomi di substrato con legami l'enzima.
- inducono tensione nelle molecole di substrato.
- aggiungono temporaneamente gruppi chimici alle molecole di substrato
- catalisi acido-base
- catalisi covalente
- catalisi da ioni metallici
Un enzima è composto da centinaia di amminoacidi con possibile struttura quaternaria. Il substrato invece è una molecola molto semplice di 6-12 amminoacidi.
Ogni sito attivo è specifico per il substrato.
Un enzima cambia forma on seguito al legame con il substrato (addattamento indotto), il resto della molecola fornisce l'impalcatura che permette agli amminoacidi del sito attivo di posizionarsi in maniera corretta, partecipa al cambiamento di forma della molecola.
Gli enzimi necessitano spesso di altre molecole per la catalisi:
- gruppi prostetici → molecole diverse dagli amminoacidi
- cofattori → ioni inorganici
- coenzimi → molecole contenenti carbonio
In una reazione A → B la velocità della reazione è direttamento proporzionale alla quantità di A, tanto più substrato tanto più veloce è l'azione enzimatica. D'altronde la quantità di enzima è molto inferiore alla quantità di substrato perciò si osserva la saturazione, il raggiungimento della velocità massima. Il turnover è la misura della quantità di molecole convertite dall'enzima nell'unità di tempo.
Come vengono regolati gli enzimi?L'omeostasi è la condizione di stabilità degli organismi, ogni organismo ha un determinato numero di reazioni che quantifica il numero di elementi presenti al suo interno.
La biologia dei sistemi si occupa di definire e studiarte le vie metaboliche, cioè il percorso che una molecola compie per la trasformazione in elementi utili all'organismo. Ogni reazione di una via metabolica viene catalizzata da uno specifico enzima.
La regolazione del flusso della via metabolica per mantenere l'omeostasi viene regolata con attivatori e inibitori degli enzimi.
L'inibizione può essere
- irreversibile → quando una molecola lega permanentemente con l'enzima (gas nervini)
- reversibile → rimangono legati al sito attivo, vengono chiamati inibitori competitivi, quelli che non legano al sito attivo vengono detti inibitori non competitivi ed inducono un cambiamento di forma, detto allosterismo. Se l'enzima è in forma attiva accetta il substrato, se è inattiva non lo accetta.
Inibitori non competitivi e attivatori in genere hanno una sede particolare nell'enzima. Enzimi con la possibilità di regolazione allosterica hanno una struttura quaternaria e la subunità con il sito attivo è datta subunità catalitica, mentre quella per attivatori/inibitori (sito allosterico) subunità regolatrice.
Enzimi con capacità allosterica e spesso si trovano nella prima tappa della via metabolica detta reazione specifica e limitante. Questo meccanismo è definito inibizione a feedback.
Gli enzimi risentono delle caratteristiche ambiantali, ognuno opera al meglio a un pH e temperatura ottimale. Nel caso un organismo dovesse vivere in ambienti molto diversi si assiste alla comparsa di isoenzimi che sono enzimi di una certa via metabolica con struttura adatta al tipo di ambiente.
Cosa sono gli enzimi?
Gli enzimi sono catalizzatori biologici. Dato ΔG non è possibile capire la velocità con cui si compie la reazione. La reazione può rimanere la stessa, ma essere accelerata da catalizzatori. Gli enzimi sono proteine, i ribozimi sono RNA. Un catalizzatore biologico fornisce l'impalcatura su cui si svolge la catalisi chimica.
La barriera energentica rapprensenta la quantità di energia necessaria per dare inizio alla reazione, definita energia di attivazione (Ea). Il superare la barriera energetica permette alle molecole che subiscono la trasformazione di passare in stati instabili defininti stati di transizione.
Gli enzimi sono estremamente specifici in quanto catalizzano reazioni solo per un determinato tipo di molecola. Il nome dell'enzima, spesso termina con il suffisso -asi, riflette la sua funzione.
Le molecole che entrano in contatto con l'enzima sono dette substrato, esse legano ad un particolare sito di legame dell'enzima detto sito attivo, producendo un complesso enzima-substrato.
Come funzionano gli enzimi?
Gli enzimi
- orientano le molecole di substrato in modo di legare gli atomi di substrato con legami l'enzima.
- inducono tensione nelle molecole di substrato.
- aggiungono temporaneamente gruppi chimici alle molecole di substrato
- catalisi acido-base
- catalisi covalente
- catalisi da ioni metallici
Un enzima è composto da centinaia di amminoacidi con possibile struttura quaternaria. Il substrato invece è una molecola molto semplice di 6-12 amminoacidi.
Ogni sito attivo è specifico per il substrato.
Un enzima cambia forma on seguito al legame con il substrato (addattamento indotto), il resto della molecola fornisce l'impalcatura che permette agli amminoacidi del sito attivo di posizionarsi in maniera corretta, partecipa al cambiamento di forma della molecola.
Gli enzimi necessitano spesso di altre molecole per la catalisi:
- gruppi prostetici → molecole diverse dagli amminoacidi
- cofattori → ioni inorganici
- coenzimi → molecole contenenti carbonio
In una reazione A → B la velocità della reazione è direttamento proporzionale alla quantità di A, tanto più substrato tanto più veloce è l'azione enzimatica. D'altronde la quantità di enzima è molto inferiore alla quantità di substrato perciò si osserva la saturazione, il raggiungimento della velocità massima. Il turnover è la misura della quantità di molecole convertite dall'enzima nell'unità di tempo.
Come vengono regolati gli enzimi?L'omeostasi è la condizione di stabilità degli organismi, ogni organismo ha un determinato numero di reazioni che quantifica il numero di elementi presenti al suo interno.
La biologia dei sistemi si occupa di definire e studiarte le vie metaboliche, cioè il percorso che una molecola compie per la trasformazione in elementi utili all'organismo. Ogni reazione di una via metabolica viene catalizzata da uno specifico enzima.
La regolazione del flusso della via metabolica per mantenere l'omeostasi viene regolata con attivatori e inibitori degli enzimi.
L'inibizione può essere
- irreversibile → quando una molecola lega permanentemente con l'enzima (gas nervini)
- reversibile → rimangono legati al sito attivo, vengono chiamati inibitori competitivi, quelli che non legano al sito attivo vengono detti inibitori non competitivi ed inducono un cambiamento di forma, detto allosterismo. Se l'enzima è in forma attiva accetta il substrato, se è inattiva non lo accetta.
Inibitori non competitivi e attivatori in genere hanno una sede particolare nell'enzima. Enzimi con la possibilità di regolazione allosterica hanno una struttura quaternaria e la subunità con il sito attivo è datta subunità catalitica, mentre quella per attivatori/inibitori (sito allosterico) subunità regolatrice.
Enzimi con capacità allosterica e spesso si trovano nella prima tappa della via metabolica detta reazione specifica e limitante. Questo meccanismo è definito inibizione a feedback.
Gli enzimi risentono delle caratteristiche ambiantali, ognuno opera al meglio a un pH e temperatura ottimale. Nel caso un organismo dovesse vivere in ambienti molto diversi si assiste alla comparsa di isoenzimi che sono enzimi di una certa via metabolica con struttura adatta al tipo di ambiente.
Biologia applicata: l'energia
L'energia è la capacità di produrre un cambiamento.
La termodinamica descrive le leggi dell'energia.
I° regola della termodinamica
L'energia non può essere nè creata nè distrutta: durante una qualsiasi trasformazione l'energia rimane identica prima e dopo la trasformazione.
II° regola della termodinamica
Il disordine tende ad aumentare, dopo una trasformazione l'energia disponibile per il lavoro è minore dell'energia disponibile prima della trasformazione, ne consegue che nessun processo di trasformazione di energia è efficiente al 100%.
L'energia totale viene definita entalpia (H), l'energia disponibile viene chiamata energia libera (G), l'energia inutilizzabile è rappresentata dall'entropia (S) che costituisce la misura del disordine di un sistema per la temperatura T.
H = G + TS
Non è possibile misurare H, G o S in maniera diretta, ma solo attraverso il cambiamento con l'unità caloria (cal) o joule (J). Il cambiamento viene indicato con Δ. La variazione di energia di libera è la differenza tra l'energia libera dei prodotti e reagenti.
ΔGreazione = Gprodotti - Greagenti
da cui
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG > 0 → energia rilasciata ΔG > 0 → energia richiesta
L'energia può essere divisa in due categorie:
energia potenziale: l'energia immagazzinata
energia cinetica: energia legata al movimento
La somma di tutti i processi di trasformazione di energia dell'organismo sono chiamati metabolismo e si può dividere in:
catabolismo: la somma delle reazioni cataboliche, formano molecole complesse partendo da molecole semplici → necessitano di energia e riducono l'entropia → reazione esoergonica.
anabolismo: la somma delle reazioni anaboliche, formano molecole semplici partendo da molecole complesse → cedono energia e aumentano l'entropia → reazione endoergonica.
Ogni reazione ha un determinato punto di equilibrio, quando un reagente A dà un prodotto B in linea di principio da B si può tornare ad A (reazione inversa), A ↔ B. Il punto di equilibrio si ha quando ΔG = 0.
La termodinamica descrive le leggi dell'energia.
I° regola della termodinamica
L'energia non può essere nè creata nè distrutta: durante una qualsiasi trasformazione l'energia rimane identica prima e dopo la trasformazione.
II° regola della termodinamica
Il disordine tende ad aumentare, dopo una trasformazione l'energia disponibile per il lavoro è minore dell'energia disponibile prima della trasformazione, ne consegue che nessun processo di trasformazione di energia è efficiente al 100%.
L'energia totale viene definita entalpia (H), l'energia disponibile viene chiamata energia libera (G), l'energia inutilizzabile è rappresentata dall'entropia (S) che costituisce la misura del disordine di un sistema per la temperatura T.
H = G + TS
Non è possibile misurare H, G o S in maniera diretta, ma solo attraverso il cambiamento con l'unità caloria (cal) o joule (J). Il cambiamento viene indicato con Δ. La variazione di energia di libera è la differenza tra l'energia libera dei prodotti e reagenti.
ΔGreazione = Gprodotti - Greagenti
da cui
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG > 0 → energia rilasciata ΔG > 0 → energia richiesta
L'energia può essere divisa in due categorie:
energia potenziale: l'energia immagazzinata
energia cinetica: energia legata al movimento
La somma di tutti i processi di trasformazione di energia dell'organismo sono chiamati metabolismo e si può dividere in:
catabolismo: la somma delle reazioni cataboliche, formano molecole complesse partendo da molecole semplici → necessitano di energia e riducono l'entropia → reazione esoergonica.
anabolismo: la somma delle reazioni anaboliche, formano molecole semplici partendo da molecole complesse → cedono energia e aumentano l'entropia → reazione endoergonica.
Ogni reazione ha un determinato punto di equilibrio, quando un reagente A dà un prodotto B in linea di principio da B si può tornare ad A (reazione inversa), A ↔ B. Il punto di equilibrio si ha quando ΔG = 0.
Biologia applicata: dal genotipo al fenotipo
Generalmente la funzione di un gene è quella di codificare un singolo polipeptide (relazione un gene-un polipeptide), esistono geni che codificano RNA o che controllano altre sequenze del DNA. è stato dimostrato da Beadle e Tatum con l'organismo modello Neurospora esposto a raggi X che alteravano la struttura del DNA e la produzione di proteine.
La trasmissione dell'informazione genetica fluisce alle proteine attraverso due tappe: trascrizione e traduzione ad opera del RNA che differisce dal DNA per a) singolo filamento nucleotidico b) ribosio c) uracile al posto della timina.
Il flusso dell'informazione è unidirezionale da DNA a RNA a proteina (dogma centrale della genetica) eccetto che per i retrovirus che operano una trascrizione inversa da RNA a DNA.
Nella trascrizione l'mRNA (RNA messaggiero) viene creato trascrivendo (copiando) le informazioni contenute nel DNA.
Nella traduzione l'mRNA viene in contatto con una molecola adattatore che traduce le informazione nucleotidiche in polipeptidiche, questa molecola è l'tRNA (RNA transfer).
Per la trascrizione sono necessari: a) una sequenza stampo di DNA, b) ribonucleosidi trifosfato c) enzima RNA polimerasi.
Nel gene durante la trascrizione serve un solo filamento stampo di DNA, l'altro non viene utilizzato.
La RNA polimerasi riconosce particolari basi nel DNA e vi si lega creando un doppio filamento invece di un'elica. Di seguito una breve sequenza viene denaturata e quindi può creare l'appaiamento con i ribonucleotidi dell'RNA. La trascrizione si svolge in 3 tappe: inizio, allungamento, terminazione.
Inizio
L'RNA polimerasi cerca un promotore: una sequenza che indica l'inizio del gene da trascrivere, quale filamento trascrivere e in quale direzione procedere.
Allungamento
L'RNA polimerasi svolge il filamento in direzione 3'-5', non è necessario il primer e non c'è controllo dell'errore.
Terminazione
Come esistono sequenze d'inizio esistono sequenze di terminazione che specificano se l'RNA creato si stacchi o se devono intervenire prima altre proteine.
A questo punto non abbiamo ancora mRNA, ma pre-mRNA che è più lungo e deve andare incontro a profonde modifiche prima di essere mRNA.
Nell'mRNA ogni sequenza di 3 nucleotidi è detta codone ed è equivalente ad un amminoacido eccetto per il codone di inizio (che corrisponde anche alla metionina) e per il codone di stop. Da notare che gli amminoacidi sono 20, mentre le possibili combinazioni di 4 nucleotidi in sequenze da 3 (4^3) è 64. Esistono codoni diversi che si riferiscono allo stesso amminoacido, per questo si dice che il codice genetico è ridondante. Il codice genetico è pressoché universale e viene trascritto nella stessa maniera in tutte le specie del pianeta.
Come viene tradotto l’RNA in proteine?
Per ogni amminoacido esiste un tRNA che svolge le funzioni di a) trasporto, b) associazione alla molecola mRNA, c) interazione con i ribosomi.
Il tRNA è composto di un sito di legame dell'amminoacido e una sequenza nucleotidica definita anticodone. Considerando che il numero di codoni possibili supera il numero di amminoacidi per certi codoni (es GCA, GCC, GCU che corrisponde all'alanina) di avere un unico tRNA, questo fenomeno prende il nome di oscillazione.
Il caricamento dell'amminoacido sull'RNA è innescato da enzimi chiamati amminoacil-tRNA sintetasi.
Il ribosoma è il banco di lavoro per la traduzione. Ogni ribosoma è formato di due subunità, una maggiore e una minore composte di rRNA e proteine.
La subunità maggiore possiede 3 siti di legame per tRNA:
- sito A (amminoacido)
l'anticodone del tRNA si congiunge con il codone mRNA allieneando il corretto amminoacido nella posizione di legame con il seguente.
- sito P (polipeptide)
l'amminoacido si congiunge con il seguente
- sito E (uscita)
il tRNA esce e torna nel citoplasma.
La subunità minore del ribosoma valida l'appaiamento delle basi: se non si formano legami all'H non è quello giusto e allontana il tRNA dal ribosoma.
Come per la trascrizione la traduzione si svolge a tappe: inizio, allungamento, terminazione.
Inizio
L'rRNA della subunità minore del ribosoma lega con una sequenza (sequenza di Shine-Dalgarno) con l'mRNA, prima del codone di inizio UGA. Quando il tRNA con la metionina si lega all'mRNA sopraggiunge la subunità maggiore. La metionina non è sempre l'amminoacido N-terminale di tutte le proteine perciò alcuni enzimi potrebbero togliero alla fine.
Allungamento
Il tRNA con anticodone complementare si lega alla subunità ribosomiale maggiore nel sito A e questa catalizza 2 reazioni: a) rompe il legame tra il tRNA del sito P e il suo amminoacido, b) catalizza la formazione di un legame peptidico tra l'amminoacido in P e quello in A.
Infine il tRNA viene trasferito nel sito E e liberato.
Dato che è la subunità maggiore a creare legami peptdici si dice che compia una attività peptidil transferasica.
Terminazione
I codoni UAA, UAG o UGA attirano una proteina chiamata fattore di rilascio e permette l'idrolisi del legame tra catena polipeptidica e tRNA nel sito P ribosomiale facendolo uscire.
La sequenza segnale del polipeptide indicherà la destinazione della proteina.
Per velocizzare la produzione proteica spesso si assiste a polisomi (più ribosomi) che partecipano alla traduzione.
La trasmissione dell'informazione genetica fluisce alle proteine attraverso due tappe: trascrizione e traduzione ad opera del RNA che differisce dal DNA per a) singolo filamento nucleotidico b) ribosio c) uracile al posto della timina.
Il flusso dell'informazione è unidirezionale da DNA a RNA a proteina (dogma centrale della genetica) eccetto che per i retrovirus che operano una trascrizione inversa da RNA a DNA.
Nella trascrizione l'mRNA (RNA messaggiero) viene creato trascrivendo (copiando) le informazioni contenute nel DNA.
Nella traduzione l'mRNA viene in contatto con una molecola adattatore che traduce le informazione nucleotidiche in polipeptidiche, questa molecola è l'tRNA (RNA transfer).
Per la trascrizione sono necessari: a) una sequenza stampo di DNA, b) ribonucleosidi trifosfato c) enzima RNA polimerasi.
Nel gene durante la trascrizione serve un solo filamento stampo di DNA, l'altro non viene utilizzato.
La RNA polimerasi riconosce particolari basi nel DNA e vi si lega creando un doppio filamento invece di un'elica. Di seguito una breve sequenza viene denaturata e quindi può creare l'appaiamento con i ribonucleotidi dell'RNA. La trascrizione si svolge in 3 tappe: inizio, allungamento, terminazione.
Inizio
L'RNA polimerasi cerca un promotore: una sequenza che indica l'inizio del gene da trascrivere, quale filamento trascrivere e in quale direzione procedere.
Allungamento
L'RNA polimerasi svolge il filamento in direzione 3'-5', non è necessario il primer e non c'è controllo dell'errore.
Terminazione
Come esistono sequenze d'inizio esistono sequenze di terminazione che specificano se l'RNA creato si stacchi o se devono intervenire prima altre proteine.
A questo punto non abbiamo ancora mRNA, ma pre-mRNA che è più lungo e deve andare incontro a profonde modifiche prima di essere mRNA.
Nell'mRNA ogni sequenza di 3 nucleotidi è detta codone ed è equivalente ad un amminoacido eccetto per il codone di inizio (che corrisponde anche alla metionina) e per il codone di stop. Da notare che gli amminoacidi sono 20, mentre le possibili combinazioni di 4 nucleotidi in sequenze da 3 (4^3) è 64. Esistono codoni diversi che si riferiscono allo stesso amminoacido, per questo si dice che il codice genetico è ridondante. Il codice genetico è pressoché universale e viene trascritto nella stessa maniera in tutte le specie del pianeta.
Come viene tradotto l’RNA in proteine?
Per ogni amminoacido esiste un tRNA che svolge le funzioni di a) trasporto, b) associazione alla molecola mRNA, c) interazione con i ribosomi.
Il tRNA è composto di un sito di legame dell'amminoacido e una sequenza nucleotidica definita anticodone. Considerando che il numero di codoni possibili supera il numero di amminoacidi per certi codoni (es GCA, GCC, GCU che corrisponde all'alanina) di avere un unico tRNA, questo fenomeno prende il nome di oscillazione.
Il caricamento dell'amminoacido sull'RNA è innescato da enzimi chiamati amminoacil-tRNA sintetasi.
Il ribosoma è il banco di lavoro per la traduzione. Ogni ribosoma è formato di due subunità, una maggiore e una minore composte di rRNA e proteine.
La subunità maggiore possiede 3 siti di legame per tRNA:
- sito A (amminoacido)
l'anticodone del tRNA si congiunge con il codone mRNA allieneando il corretto amminoacido nella posizione di legame con il seguente.
- sito P (polipeptide)
l'amminoacido si congiunge con il seguente
- sito E (uscita)
il tRNA esce e torna nel citoplasma.
La subunità minore del ribosoma valida l'appaiamento delle basi: se non si formano legami all'H non è quello giusto e allontana il tRNA dal ribosoma.
Come per la trascrizione la traduzione si svolge a tappe: inizio, allungamento, terminazione.
Inizio
L'rRNA della subunità minore del ribosoma lega con una sequenza (sequenza di Shine-Dalgarno) con l'mRNA, prima del codone di inizio UGA. Quando il tRNA con la metionina si lega all'mRNA sopraggiunge la subunità maggiore. La metionina non è sempre l'amminoacido N-terminale di tutte le proteine perciò alcuni enzimi potrebbero togliero alla fine.
Allungamento
Il tRNA con anticodone complementare si lega alla subunità ribosomiale maggiore nel sito A e questa catalizza 2 reazioni: a) rompe il legame tra il tRNA del sito P e il suo amminoacido, b) catalizza la formazione di un legame peptidico tra l'amminoacido in P e quello in A.
Infine il tRNA viene trasferito nel sito E e liberato.
Dato che è la subunità maggiore a creare legami peptdici si dice che compia una attività peptidil transferasica.
Terminazione
I codoni UAA, UAG o UGA attirano una proteina chiamata fattore di rilascio e permette l'idrolisi del legame tra catena polipeptidica e tRNA nel sito P ribosomiale facendolo uscire.
La sequenza segnale del polipeptide indicherà la destinazione della proteina.
Per velocizzare la produzione proteica spesso si assiste a polisomi (più ribosomi) che partecipano alla traduzione.
Biologia applicata: il ruolo del DNA nella cellula
Il DNA è composto di nucleotidi legati con legame fosfodiestere, ognuno composto dal desossirobosio (carboidrato pentoso), da una base azotata e un gruppo fosfato.
I nucleotidi sono 4 e le uniche differenze stanno nelle base azotate.
I nucleotidi si possono dividere in pirimidine: citosina (C) e timina (T); purine: adenina (A) e guanina (G).
Nel DNA il numero totale delle purine è uguale al numero delle purine (regola di Chargaff), poiché l'adenina lega con la timina (AT) con 2 legami H e la guanina con la citosina (GC) con 3 legami H. Detto appaiamento complementare delle basi.
La struttura del DNA è a doppia elica (due spirali cilindriche di catene polinucleotidiche affiancate). Il senso del giro è destrorso e i filamenti scorrono antiparalleli: nella stessa direzione, ma con verso opposto.
Le basi azotate sono rivolte all'interno della molecola e si lega con legame H con la base azotate del nucleotide della catena opposta.
Il verso della catena polinucleotidica va da 5' a 3'. Questi numeri si riferiscono alla posizione del C del desossiribosio che lega il gruppo fosfato.
Come si replica il DNA?
La replicazione del DNA è semiconservativa, parte del DNA originale (1/2) viene mantenuto nella replicazione.
La replicazione si svolge in due tappe. 1) Il DNA viene svolto, 2) viene aggiunto il nucleotide complementare.
Un complesso proteico definito complesso di replicazione è incaricato di sintetizzare il nuovo DNA. Il DNA si muove, il complesso di replicazione rimane fermo. All'inizio interviene l'enzima DNA elicasi che separa i legami H delle due catene formando le forcelle di replicazione.
Le DNA polimerasi si occupano di aggiungere i nucleotidi, ma non partono dal nulla, hanno bisogno di un innesco di RNA (primer), sintetizzato dall'enzima primasi.
Alla fine l'enzina DNA topoisomerasi divide i due DNA neosintetizzati che sono intrecciati.
I due filamenti di DNA si sviluppano in maniera differente: tutto il lavoro viene effettuato in un unico verso per cui un filamento detto anticipato è orientato nel verso giusto e i nucleotidi vengono inseriti senza interruzioni. L'altro, detto ritardato, viene completato un pezzo alla volta con segmenti nucleotidici detti frammenti di Okazaki che iniziano con un primer.
La DNA polimerasi I rimuove i primer e li sostituisce con DNA vero e proprio, tra un frammento di Okazaki e l'altro rimangono dei buchi completati dal DNA ligasi.
L'ultima parte del DNA ottenuto da filamento ritardato termina con un segmento che non può assere accoppiato e che quindi viene tagliato, all'estremità del DNA si trova una sequenza di nucleotidi, detti telomeri, che servono per questo.
Come viene riparato il DNA?
Errori durante la replicazione del DNA e la presenza di elementi ambientali possono causare errori di accoppiamento nel DNA.
Esistono 3 tipo di riparazione:
- il meccanismo correttore di bozze agisce durante la replicazione ed è il rifiuto del DNA polimerasi di un nucleotide errato.
- il meccanismo riparatore di disappaiamenti agisce dopo il completamento del DNA neosintetizzato non ancora marcato.
- il meccanismo di riparazione per escissione consiste in enzimi che controllano costantemente il DNA per cercare disappaimenti occorsi per fattori ambientali.
I nucleotidi sono 4 e le uniche differenze stanno nelle base azotate.
I nucleotidi si possono dividere in pirimidine: citosina (C) e timina (T); purine: adenina (A) e guanina (G).
Nel DNA il numero totale delle purine è uguale al numero delle purine (regola di Chargaff), poiché l'adenina lega con la timina (AT) con 2 legami H e la guanina con la citosina (GC) con 3 legami H. Detto appaiamento complementare delle basi.
La struttura del DNA è a doppia elica (due spirali cilindriche di catene polinucleotidiche affiancate). Il senso del giro è destrorso e i filamenti scorrono antiparalleli: nella stessa direzione, ma con verso opposto.
Le basi azotate sono rivolte all'interno della molecola e si lega con legame H con la base azotate del nucleotide della catena opposta.
Il verso della catena polinucleotidica va da 5' a 3'. Questi numeri si riferiscono alla posizione del C del desossiribosio che lega il gruppo fosfato.
Come si replica il DNA?
La replicazione del DNA è semiconservativa, parte del DNA originale (1/2) viene mantenuto nella replicazione.
La replicazione si svolge in due tappe. 1) Il DNA viene svolto, 2) viene aggiunto il nucleotide complementare.
Un complesso proteico definito complesso di replicazione è incaricato di sintetizzare il nuovo DNA. Il DNA si muove, il complesso di replicazione rimane fermo. All'inizio interviene l'enzima DNA elicasi che separa i legami H delle due catene formando le forcelle di replicazione.
Le DNA polimerasi si occupano di aggiungere i nucleotidi, ma non partono dal nulla, hanno bisogno di un innesco di RNA (primer), sintetizzato dall'enzima primasi.
Alla fine l'enzina DNA topoisomerasi divide i due DNA neosintetizzati che sono intrecciati.
I due filamenti di DNA si sviluppano in maniera differente: tutto il lavoro viene effettuato in un unico verso per cui un filamento detto anticipato è orientato nel verso giusto e i nucleotidi vengono inseriti senza interruzioni. L'altro, detto ritardato, viene completato un pezzo alla volta con segmenti nucleotidici detti frammenti di Okazaki che iniziano con un primer.
La DNA polimerasi I rimuove i primer e li sostituisce con DNA vero e proprio, tra un frammento di Okazaki e l'altro rimangono dei buchi completati dal DNA ligasi.
L'ultima parte del DNA ottenuto da filamento ritardato termina con un segmento che non può assere accoppiato e che quindi viene tagliato, all'estremità del DNA si trova una sequenza di nucleotidi, detti telomeri, che servono per questo.
Come viene riparato il DNA?
Errori durante la replicazione del DNA e la presenza di elementi ambientali possono causare errori di accoppiamento nel DNA.
Esistono 3 tipo di riparazione:
- il meccanismo correttore di bozze agisce durante la replicazione ed è il rifiuto del DNA polimerasi di un nucleotide errato.
- il meccanismo riparatore di disappaiamenti agisce dopo il completamento del DNA neosintetizzato non ancora marcato.
- il meccanismo di riparazione per escissione consiste in enzimi che controllano costantemente il DNA per cercare disappaimenti occorsi per fattori ambientali.
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