MOLECULAR BIOLOGY

L'acqua e il pH

L'acqua è una molecola essenziale per la vita, costituendo tra il 60% e il 95% delle cellule umane viventi. All'interno dell'organismo umano, il 55% è presente nei fluidi intracellulari e il restante 45% suddiviso tra plasma (8%), nelle cellule e nella linfa (22%), tessuto connettivo e collagene (15%). 

La linfa (dal latino, mpha) è il fluido che scorre attraverso il sistema linfatico, un sistema composto da vasi linfatici (canali) e linfonodi intermedi la cui funzione, come il sistema venoso, è di riportare il fluido dai tessuti al sistema venoso circolazione centrale (drenaggio di tessuti e organi). Quindi la linfa, fluido che scorre attraverso il sistema linfatico, ha il compito di drenare i tessuti e gli organi.

In biochimica, l'acqua funge da mezzo di trasporto attraverso le membrane cellulari, mantiene la temperatura corporea e agisce come solvente nel sistema gastrointestinale ed escretore. Negli esseri umani sani, l'assunzione giornaliera e la perdita d'acqua è in media di 2 litri, provenienti principalmente da liquidi (45%) e cibo (40%) e reazioni chimiche (15%). La perdita avviene attraverso urina, feci (50%) ed evaporazione da polmoni (55%) e pelle (5%). Mantenere un equilibrio idrico corretto è essenziale per evitare problemi come la disidratazione o l'edema.

Dissociazione dell'acqua e pH

L'equilibrio di dissociazione dell'acqua, H2O <-> H3O+ + OH-, determina il pH di una soluzione:

• Se [H3O+] è uguale a [OH-], la soluzione è neutra

• se [H3O+] è maggiore di [OH-], la soluzione è acida

• se [H3O+] è minore di [OH-], la soluzione è basica. 

• Kw, il prodotto ionico dell'acqua, è uguale a 10^-14 a 25°C e 2.4 x 10^-14 a 37°C nel corpo umano. 

• In acqua pura, [H3O+] e [OH-] sono entrambi 10^-7 a 25°C, quindi il pH è 7. 

• Nel sangue umano a 37°C, il pH è 7.4 con [H3O+] di circa 3.98 x 10^-8. 

I composti biologici sono deboli acidi e basi che si dissociano solo parzialmente. I buffer/tamponi sono soluzioni contenenti coppie acido-base in proporzioni che resistono ai cambiamenti di pH quando si aggiungono piccole quantità di acidi o basi forti. Alcuni esempi di buffer fisiologici includono il pH dello stomaco (1-2), del tratto gastrointestinale (8-9) e del sangue (7.4). Valori di pH al di fuori di determinati intervalli possono indicare condizioni patologiche, come acidosi o alcalosi, che possono portare alla morte se estreme. 

Identificazione dei comuni tamponi fisiologici

• Respiratory acidosis: Si verifica a causa di un'inefficace espulsione di CO2, che porta ad un aumento della concentrazione di H2CO3, spesso associata a patologie respiratorie come polmonite, enfisema o asma.

• Metabolic acidosis: Questo stato si verifica quando vi è una diminuzione della concentrazione di HCO3-, spesso causata da malattie renali, diabete non controllato o vomito di liquidi non acidi.

• Respiratory alkalosis: Si verifica quando vi è una rimozione eccessiva di CO2, portando ad una diminuzione della concentrazione di H2CO3, spesso causata da iperventilazione (paura, in panico).

• Metabolic alkalosis: Questo stato si verifica quando vi è un aumento della concentrazione di HCO3-, spesso causato dal vomito eccessivo di acido gastrico.

Inoltre, sono presenti diversi sistemi tampone fisiologici nel corpo umano:

• Il sistema tampone delle proteine aiuta a mantenere l'acidità all'interno e intorno alle cellule.

• Il sistema tampone del fosfato aiuta a mantenere il pH intracellulare e delle urine.

• Il bicarbonato è il principale tampone extracellulare e svolge un ruolo chiave nel mantenimento del pH del sangue, controllando anche i livelli di CO2 attraverso il seguente equilibrio: CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3- .

Le macromolecole

Sono grandi molecole presenti nelle cellule e si dividono principalmente in quattro classi. Spesso queste macromolecole sono costituite da unità ripetitive chiamate monomeri, che si legano insieme per formare polimeri più complessi.

Lipidi:

• Utilizzati per membrane cellulari, segnali, immagazzinamento di energia e protezione.

• Sono non polari (idrofobici) o anfipatici (parzialmente polari).

• Possono avere catene lunghe o essere di dimensioni più ridotte

Carboidrati:

• Forniscono energia, informazione e struttura.

• Hanno una formula chimica di base CH2O (C6H12O6).

• I monomeri (M) sono i monosaccaridi (zuccheri), mentre i polimeri sono i polysaccaridi (glicogeno, amido, cellulosa).

• I monosaccaridi sono uniti da legami glicosidici C-O-C.

Acidi nucleici:

• Contengono informazioni ereditarie (geni) ed energia.

• I monomeri (M) sono i nucleotidi. I polimeri sono il DNA o l'RNA.

• La struttura nucleotidica è stereotipica: fosfato-saccarosio-base (P-S-B).

• Lo zucchero può essere ribosio (RNA) o deossiribosio (DNA).

• Esistono 5 basi: adenina (A), guanina (G) = PURINE; citosina (C), timina (T), uracile (U) = PYRIMIDINE: A, G, C, T per il DNA; A, G, C, U per l'RNA.

Proteine:

• Prodotti dell'espressione genica, elaborano il DNA,...

• I monomeri (M) sono gli amminoacidi (20 amminoacidi naturali comuni). I polimeri sono le proteine.

• La struttura di un amminoacido è composta da: carbonio alfa + NH2 + COOH + R (gruppo laterale).

• Il gruppo R può essere polare, non polare, carico o non carico.

• Ogni amminoacido è rappresentato da un codice a tre o una sola lettera (per esempio, valina = VAL o V).

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Gli acidi nucleici

Le molecole di acidi nucleici, essendo portatrici di informazioni ereditarie, possiedono caratteristiche di ordine e polarità fondamentali che le cellule possono leggere e comprendere. 

La polarità degli acidi nucleici è evidenziata dai loro due estremi, conosciuti come 5' e 3'. Questi rappresentano le estremità chimicamente diverse della molecola, con il 5' terminale legato al carbonio 5' dello zucchero e il 3' terminale legato all'idrossile sul carbonio 3' dello zucchero. 

Questi due estremi distinti permettono alle cellule di distinguere tra di loro. Inoltre, gli acidi nucleici presentano un ordine specifico delle basi lungo il polimero, con la base 3' che rappresenta l'ultima base aggiunta e a cui verranno aggiunte nuove basi in ingresso. Queste caratteristiche di polarità e ordine forniscono le informazioni fondamentali che le cellule possono leggere e interpretare.

Polarità degli acidi nucleici

La struttura zucchero-fosfato (S-P) non viene scritta, ma vengono sempre indicati gli estremi 5' e 3' su ciascun filamento di acido nucleico. Ad esempio, un filamento potrebbe essere rappresentato come 5'B1B2B3B4B5B63', che corrisponde a una sequenza di basi come 5'GAATCC3'. L'ordine delle basi fornisce informazioni, mentre la polarità con gli estremi 5' e 3' indica il primo e l'ultimo nucleotide aggiunto e la direzione per leggere le informazioni. 

Struttura del DNA

Il DNA ha una struttura di doppia elica destrorsa (DH) con un diametro di circa 2 nm. Gli zuccheri (Ss) e i fosfati (Ps) si trovano all'esterno dell'elica (backbone), mentre le basi (Bs) sono impilate all'interno, a coppie. Le coppie di basi (BPs) sono legate tra loro da legami ad idrogeno, e ogni coppia di basi è separata dalla successiva di circa 0,34 nm (ascensione assiale). Ci sono circa 10,4 coppie di basi per ogni tornata elica, e la distanza per completare una tornata elica (pitch elica) è di 3,4 nm. I due filamenti dell'elica corrono in direzioni opposte, con l'estremità carbonio 5' di un filamento che si trova di fronte all'estremità carbonio 3' del filamento complementare, in una disposizione antiparallela. Una proprietà chiave del DNA è che solo certi tipi di accoppiamenti di basi sono permessi, seguendo la regola di complementarità delle basi, dove A può accoppiarsi solo con T e G può accoppiarsi solo con C. In altre parole, i filamenti di DNA sono complementari tra loro. Ad esempio, se la sequenza di un filamento di DNA è 5'AATTGGCC3', il filamento complementare avrà la sequenza 3'TTAACCGG5'.

Struttura dell'RNA

L'RNA (acido ribonucleico) è principalmente coinvolto nel processo di sintesi proteica sotto la direzione del DNA. Di solito è a singola elica e le sue quattro basi azotate sono A, U, G e C. Ci sono quattro principali tipi di RNA: mRNA (RNA messaggero), rRNA (RNA ribosomiale), tRNA (RNA di trasferimento) e miRNA (microRNA). Il mRNA trasporta il messaggio dal DNA: se una cellula ha bisogno di sintetizzare una certa proteina, il gene per questo prodotto viene "attivato" e l'mRNA viene sintetizzato nel nucleo cellulare. La sequenza di basi dell'RNA è complementare alla sequenza codificante del DNA da cui è stata copiata. Ad esempio, se il filamento di DNA da copiare (filamento modello) ha una sequenza 3'TACGTCTA..., la sequenza del filamento di mRNA complementare (trascritto) sarà 5'AUGCAGAU...3'.

Le proteine

Le proteine sono polimeri di aminoacidi collegati tra loro da legami peptidici, formati dalla reazione tra il gruppo amminico (NH2) di un aminoacido e il gruppo carbossilico (COOH) del successivo. 

La polarità di una proteina è evidenziata dalla presenza di estremità amminica (N-terminale) e carbossilica (C-terminale). L'ordine degli aminoacidi in una proteina fornisce informazioni cruciali sulla sua struttura e funzione, e l'aggiunta sequenziale degli aminoacidi avviene sempre all'estremità carbossilica. Le proteine sono spesso rappresentate utilizzando la codifica a una o tre lettere degli aminoacidi, e la sequenza inizia con N e termina con C. Questa polarità delle proteine può essere contrastata con quella delle acidi nucleici, dove l'ordine delle basi azotate fornisce l'informazione, e la polarità è indicata dagli estremi 5' e 3'. La struttura delle proteine è categorizzata in quattro livelli: primario, secondario, terziario e quaternario.

La struttura primaria è costituita dalla sequenza flessibile di aminoacidi che compone una proteina.

Quando la catena è sufficientemente lunga, possono formarsi legami idrogeno tra i gruppi NH2 e COOH lungo il suo scheletro, portando alla piegatura localizzata della catena in eliche e foglietti, che costituiscono la struttura secondaria più comune: l'α-elica e i foglietti β-plettati.

La struttura terziaria rappresenta la forma tridimensionale su larga scala di una singola catena polipeptidica. Questa struttura è determinata dalle interazioni tra gli amminoacidi che si trovano lontani nella catena, come i ponti disolfuro, legami idrogeno, legami ionici e interazioni idrofobiche tra le catene laterali non polari.

Alcune proteine sono costituite da sotto-unità proteiche, e la loro funzionalità richiede la presenza e la configurazione corretta di tutte le sotto-unità. Questa organizzazione costituisce la struttura quaternaria delle proteine, stabilizzata da interazioni relativamente deboli.

Le proteine svolgono varie funzioni nelle cellule, contribuendo alla struttura delle membrane cellulari, rafforzando la struttura interna delle cellule attraverso le proteine citoscheletriche, agendo come supporto cellulare extracellulare e facilitando il trasporto di materiali attraverso le membrane cellulari. Inoltre, le proteine sono coinvolte nell'identità cellulare, con glicoproteine sulla superficie cellulare che fungono da marcatori identificativi. Infine, le proteine partecipano ai movimenti cellulari, consentendo ad esempio il movimento di flagelli e la locomozione di cellule come gli amebe.

Le proteine svolgono una vasta gamma di funzioni cruciali all'interno delle cellule e nei sistemi biologici più ampi. Contribuiscono attivamente alla comunicazione cellulare, facilitando l'invio e la ricezione di segnali tra le cellule. Inoltre, le proteine sono fondamentali nell'organizzazione molecolare interna delle cellule: le proteine chaperone, ad esempio, assistono nella piegatura corretta delle nuove proteine e le guidano verso posizioni specifiche all'interno della cellula.

Un'altra importante funzione delle proteine è quella di difendere l'organismo contro patogeni. Gli anticorpi, che sono proteine chiave nel sistema immunitario, giocano un ruolo cruciale nel mirare e distruggere batteri e virus, contribuendo così alla difesa del corpo contro le infezioni.

Le proteine regolano anche l'utilizzo del DNA da parte della cellula. Le proteine leganti al DNA controllano quali sezioni del DNA devono essere utilizzate dalla cellula, regolando così l'espressione genica.

Per illustrare come la struttura proteica influenzi la salute, possiamo prendere in considerazione il caso della fibrosi cistica (CF), una malattia genetica umana. La CF è causata dalla perdita dell'aminoacido fenilalanina nella sequenza primaria della proteina transmembrana della fibrosi cistica (CFTR). Questa mutazione altera la struttura primaria del CFTR, una proteina coinvolta nel trasporto di sale e acqua dentro e fuori dalle cellule. La mutazione impedisce alla proteina di funzionare correttamente, causando la produzione di muco anormalmente spesso che ostruisce i polmoni e il pancreas, portando a gravi problemi respiratori e digestivi. La formazione di biofilm nei polmoni di pazienti affetti da fibrosi cistica favorisce l'insorgenza di infezioni, e la presenza di specifici patogeni nei test di laboratorio può fornire indicazioni diagnostiche cruciali.

Nel processo di studio di una proteina, è essenziale separarla per comprendere la sua struttura e funzione. Poiché le cellule contengono migliaia di proteine diverse, è necessario utilizzare metodi di separazione applicabili anche ad altri composti biochimici. Due metodi chiave di separazione proteica sono basati sulla dimensione e sulla massa, oltre che sulla carica.

Per la separazione in base alla dimensione e alla massa, vengono impiegati metodi come l'ultrafiltrazione, l'ultracentrifugazione e la cromatografia di esclusione molecolare. L'ultrafiltrazione è utile per proteine particolarmente grandi o piccole, mentre l'ultracentrifugazione utilizza la sedimentazione differenziale e del gradiente di densità per determinare la massa molecolare. La cromatografia di esclusione molecolare sfrutta le proprietà di setacci molecolari per separare le molecole in base alla loro dimensione e forma.

Per la separazione basata sulla carica, vengono impiegati metodi come la cromatografia a scambio ionico e l'elettroforesi. 

La cromatografia a scambio ionico si basa sull'attrazione tra la fase stazionaria carica e l'analita, con una elevata risoluzione e capacità. 

L'elettroforesi, dipendente dal pH, sfrutta la migrazione di particelle cariche sotto l'influenza di un campo elettrico.

Approfondendo l'analisi della sequenza primaria di una proteina, sono necessari ulteriori passaggi. Dopo la separazione e la purificazione delle catene polipeptidiche, si effettua la rottura dei ponti disolfuro intracatenari e la determinazione della concentrazione di amminoacidi. Le terminazioni N e C vengono identificate, seguite dalla frammentazione della catena in peptidi più corti. La sequenza totale viene poi ricostruita combinando le informazioni ottenute dai diversi frammenti, permettendo una visione dettagliata della struttura primaria della proteina.

La chimica cellulare: metabolismo e reazioni

Nel contesto della chimica cellulare, la cellula funge da reattore chimico continuo, orchestrando una miriade di reazioni chimiche note collettivamente come metabolismo. Il metabolismo può essere ampiamente suddiviso in reazioni anaboliche, dove le molecole vengono costruite attraverso processi come la condensazione, e reazioni cataboliche, dove le molecole vengono degradate, tipicamente mediante idrolisi.

Le reazioni di condensazione, esemplificate da M-OH + M-OH → M-O-M + H2O, coinvolgono la sintesi di molecole con l'eliminazione di acqua. D'altra parte, le reazioni di idrolisi, come M-O-M + H2O → 2 M-OH, comportano la rottura delle molecole con l'aggiunta di acqua.

Comprendere la dinamica energetica all'interno di queste reazioni è cruciale. La mappa metabolica delinea la complessa rete di molecole e reazioni chimiche che governano il metabolismo cellulare, rappresentando i punti come molecole e le linee come le reazioni chimiche che costituiscono il panorama cellulare.

Il concetto di differenza di energia libera (ΔG) governa la direzione e la spontaneità delle reazioni. ΔG deriva dall'entalpia (energia totale) e dall'entropia (energia inutile) del sistema. Quando ΔG è negativo (ΔG < 0), indicando che l'energia libera dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti, la reazione è termodinamicamente spontanea (esergonica) e rilascia energia. Al contrario, quando ΔG è positivo (ΔG > 0), la reazione è termodinamicamente non spontanea (endergonica) e richiede un input di energia per procedere.

L'equazione DG = -RT ln Keq collega ΔG alla costante di equilibrio (Keq) e alla temperatura (T), illustrando la connessione tra l'energia libera e l'equilibrio tra reagenti e prodotti. Quando ΔG è uguale a zero (ΔG = 0), il sistema è in equilibrio chimico.

Nella cellula, questi principi di termodinamica governano i processi intricati del trasferimento di energia dalle molecole alimentari per sostenere le funzioni cellulari, inclusa la sintesi di molecole complesse (ad esempio, DNA, proteine) e l'organizzazione di strutture all'interno della cellula. La cellula agisce efficacemente come una fabbrica, convertendo ed utilizzando l'energia per svolgere varie attività cellulari.

Dirigendoci nel mondo della fabbrica cellulare, le cellule trasferiscono l'energia dalle molecole alimentari per alimentare i loro processi. Questo coinvolge la sintesi di molecole complesse come il DNA e le proteine, la formazione di strutture organizzate come gli organelli e la generazione di compartimenti specializzati per immagazzinare e organizzare materiali per compiti specifici.

Un aspetto chiave dell'attività cellulare è la creazione di gradienti elettrochimici. Le cellule organizzano gli ioni su entrambi i lati della membrana cellulare per creare potenziali elettrochimici, meccanismi che controllano la segnalazione e il trasferimento di materiali attraverso le membrane.

Inoltre, il trasporto e il movimento sono funzioni essenziali. Le cellule trasportano molecole da un lato della cellula all'altro, alcune cellule nuotano o si muovono utilizzando proteine di motilità speciali.

Ma da dove proviene davvero l'energia cellulare? Le cellule non utilizzano l'energia direttamente dai cibi. In realtà, utilizzano l'adenosina trifosfato (ATP), noto come il mediatore energetico, che agisce come un veicolo per trasferire energia nei processi cellulari.

Il ciclo ATP/ADP è cruciale in questo contesto. Durante le reazioni endergoniche, ATP fornisce energia a molecole complesse, trasformandosi in ADP e fosfato inorganico (Pi). D'altra parte, nelle reazioni esergoniche, l'energia liberata dalla rottura di molecole complesse viene utilizzata per ricostituire ATP tramite la condensazione di ADP e Pi.

Il ciclo ATP/ADP rappresenta quindi una forma di accoppiamento energetico, in cui le reazioni endergoniche e esergoniche sono collegate attraverso lo scambio di ATP e ADP.

Anche se una reazione è termodinamicamente spontanea (ΔG < 0), potrebbe non verificarsi senza una "spinta energetica". Questa spinta è data dall'energia di attivazione (Ea), una barriera energetica che deve essere superata affinché la reazione possa procedere.

Gli enzimi sono catalizzatori biologici che facilitano le reazioni chimiche nel contesto cellulare. Anche se una reazione è termodinamicamente spontanea (ΔG < 0), potrebbe non verificarsi senza una "spinta energetica" rappresentata dall'energia di attivazione (Ea). Gli enzimi sono catalizzatori speciali che riducono l'energia di attivazione, promuovendo così la velocità delle reazioni.

Nelle cellule umane, sono presenti circa 1300 diversi enzimi, ciascuno dei quali catalizza una specifica reazione chimica. Gli enzimi non modificano ΔG di una reazione, ma accelerano il tasso di reazione scomponendola in passaggi con basse energie di attivazione.

L'enzima ha una specificità unica per il suo substrato, la molecola su cui agisce. Questa specificità è determinata dalla forma tridimensionale dell'enzima e dal suo sito attivo, che si adatta perfettamente al substrato.

Le reazioni chimiche cellulari sono spesso legate in percorsi metabolici, sequenze ordinate di reazioni chimiche che formano una sorta di "linea di produzione cellulare". Questi percorsi iniziano da un punto A e portano a un particolare prodotto necessario per la cellula. I percorsi metabolici sono regolati da meccanismi di feedback interni, tra cui il feedback positivo, che aumenta la produzione lungo il percorso, e il feedback negativo, che riduce o arresta la produzione.

I feedback positivi sono esemplificati dalla coagulazione del sangue, dove i fattori di coagulazione promuovono ulteriormente il processo di coagulazione una volta iniziato. Un altro esempio è il parto, in cui le contrazioni uterine inducono ulteriori contrazioni attraverso la liberazione di prostaglandine da parte del feto.

D'altra parte, i feedback negativi sono illustrati dall'inizio delle contrazioni del parto, noto come riflesso di Ferguson. La distensione del collo dell'utero invia impulsi nervosi al cervello, che rilascia l'ossitocina stimolando le contrazioni uterine. Tuttavia, questo può essere contrapposto dal rilascio di prostaglandine che limitano ulteriori contrazioni.

Gli enzimi

Le enzimi sono catalizzatori biologici, spesso proteine, che facilitano reazioni chimiche specifiche all'interno delle cellule. Possono avere una parte non proteica chiamata cofattore, che può essere un metallo (come il Mg++) o una molecola organica (come una coenzima). 

Le industrie fanno ampio uso degli enzimi, poiché svolgono un ruolo cruciale in numerosi processi industriali. Il mercato globale per gli enzimi nelle applicazioni industriali è in costante crescita, raggiungendo $8.7 miliardi entro il 2026.

L'attività enzimatica può essere valutata attraverso un esperimento chiamato saggio enzimatico, in cui si traccia la velocità della reazione (V) rispetto alla concentrazione del substrato (S). A basse concentrazioni di substrato, entrambe le curve sono approssimativamente lineari, seguendo una cinetica del primo ordine. Tuttavia, a concentrazioni intermedi di substrato, la velocità della reazione catalizzata dall'enzima è significativamente più alta rispetto a quella non catalizzata. Quando la velocità della reazione raggiunge un valore massimo (Vmax), la cinetica diventa di ordine zero, indicando la saturazione dell'enzima.

L'equazione di Michaelis-Menten descrive la relazione tra la velocità della reazione (V), la concentrazione del substrato (S), la velocità massima (Vmax), e la costante di Michaelis-Menten (Km). Il Km rappresenta una misura approssimativa dell'affinità dell'enzima per il substrato.

Il grafico di Lineweaver-Burk, o doppio reciproco, è spesso utilizzato per analizzare i dati del saggio enzimatico e determinare Vmax e Km. Tuttavia, questo grafico può sovrastimare le velocità a basse concentrazioni di substrato.

Organizzazione cellulare

La membrana cellulare è un componente essenziale delle cellule, svolgendo una funzione di protezione e delimitazione. La membrana cellulare è costituita principalmente da un doppio strato di fosfolipidi, che formano una struttura chiamata bilayer lipidico. Questo bilayer è altamente idrofobico, ma anche anfipatico, poiché ha una regione idrofobica e una idrofila. Complessivamente, la composizione della membrana cellulare è cruciale per le sue funzioni, consentendo il passaggio selettivo di sostanze attraverso la membrana e partecipando a importanti processi cellulari come il riconoscimento cellulare.

I fosfolipidi, i principali costituenti della membrana cellulare, si autoassemblano spontaneamente nel bilayer lipidico. Questa struttura consente alle molecole idrofobiche di diffondersi attraverso la membrana, mentre particolari strutture come canali o pori consentono alle molecole polari di attraversare la membrana.

Il colesterolo, un lipide steroideo, è un componente aggiuntivo che influisce sulla fluidità della membrana. Le proteine di membrana possono essere di due tipi: proteine integrali, che attraversano l'intera larghezza del bilayer, e proteine periferiche, che sono legate più liberamente alle superfici esterne o interne della membrana. Queste proteine possono svolgere diverse funzioni, come agire come enzimi, fornire supporto strutturale o partecipare ai siti di riconoscimento cellulare.

Le carboidrati sono sempre presenti sulla superficie esterna delle cellule e possono legarsi a proteine (glycoproteins) o lipidi (glycolipidi). Insieme alle proteine periferiche, i carboidrati formano siti specializzati sulla superficie cellulare che consentono il riconoscimento cellulare, facilitando l'interazione tra le cellule.

Il Modello del Mosaico Fluido è un modello concettuale che descrive la struttura e l'organizzazione della membrana cellulare. Proposto da S.J. Singer e Garth L. Nicolson nel 1972, questo modello raffigura la membrana cellulare come una struttura dinamica e flessibile composta da un mosaico di varie molecole, tra cui lipidi, proteine e carboidrati. Le caratteristiche chiave del Modello del Mosaico Fluido includono:

1. Doppio Strato Lipidico: Il telaio strutturale di base della membrana cellulare è un doppio strato lipidico. Questo strato è principalmente composto da fosfolipidi, che hanno teste idrofiliche (attratte dall'acqua) e code idrofobiche (repellenti all'acqua). Il doppio strato lipidico fornisce una barriera che separa gli ambienti interno ed esterno della cellula.

2. Proteine: Le proteine integrali sono incorporate all'interno del doppio strato lipidico e possono attraversarne l'intera larghezza. Queste proteine integrali possono funzionare come canali, recettori, enzimi o componenti strutturali. Le proteine periferiche si trovano sulle superfici interna o esterna del doppio strato lipidico e sono debolmente attaccate.

3. Carboidrati: I carboidrati sono spesso legati alle proteine (glicoproteine) o ai lipidi (glicolipidi) sulla superficie extracellulare della membrana cellulare. Svolgono un ruolo cruciale nel riconoscimento e nella segnalazione cellulare.

4. Colesterolo: Le molecole di colesterolo sono distribuite all'interno del doppio strato lipidico, influenzando la fluidità e la stabilità della membrana.

5. Natura Dinamica: Il termine "fluido" nel Modello del Mosaico Fluido sottolinea la natura dinamica e flessibile della membrana cellulare. Lipidi e proteine possono muoversi lateralmente all'interno della membrana, consentendo flessibilità e adattabilità.

6. Asimmetria:La distribuzione di lipidi, proteine e carboidrati non è uniforme tra i due strati del doppio strato lipidico. Questa asimmetria contribuisce alla permeabilità selettiva della membrana.

All'interno di una cellula si trovano una serie di strutture e organelli che svolgono specifiche funzioni, contribuendo al suo funzionamento complessivo. Le cellule sono fabbriche replicate delimitate da membrane, con organelli che sono strutture subcellulari dotate di funzioni specifiche e che possono essere a loro volta delimitati da membrane.

 Tra i principali organelli delle cellule eucariotiche troviamo il nucleo, che funge da deposito per le informazioni genetiche e centro di controllo cellulare; il nucleolo, dove avviene la sintesi del r-RNA e la costruzione dei ribosomi; l'involucro nucleare, composto da una membrana interna e una esterna parallele tra loro, con pori nucleari che controllano il passaggio di molecole dentro e fuori il nucleo, contribuendo a separare selettivamente i contenuti del nucleo da quelli del citoplasma. 

Il cromatina - chromatin  è il complesso di DNA associato a proteine (istoni) che, insieme al DNA, forma i nucleosomi, aiutando a compattare il DNA e a farlo entrare nel nucleo. 

Nel citoplasma - cytoplasm , che costituisce tutto ciò che è non nucleare, troviamo i centrioli, che organizzano i componenti strutturali della cellula coinvolti nel movimento durante la divisione cellulare;

Il reticolo endoplasmatico (ER) - Endoplasmic reticulum, che può essere ruvido (RER), contenente i ribosomi, o liscio (SER), che trasporta i prodotti delle reazioni cellulari all'apparato di Golgi;

I ribosomi, dove gli amminoacidi vengono assemblati in proteine.

L'apparato di Golgi, che imballa i materiali prodotti dalla cellula in vescicole e li invia ad altri organelli per il metabolismo o alla membrana cellulare per l'escrezione.

I lisosomi, che degradano componenti cellulari non più necessari o sostanze indesiderate, compiendo anche la digestione di organelli morti. Essi possono essere paragonati a una discarica della fabbrica cellulare.

L'autofagia è un processo cellulare autodigestivo fondamentale per diversi aspetti:

1. Equilibrio Energetico: L'autofagia aiuta a mantenere l'equilibrio delle fonti di energia, specialmente in momenti critici dello sviluppo e in risposta allo stress nutrizionale.

2. Rimozione di Proteine Mal Plicate: L'autofagia contribuisce alla pulizia cellulare rimuovendo proteine mal ripiegate o aggregate che potrebbero essere dannose per la cellula.

3. Eliminazione di Organelle Danneggiate: Le strutture intracellulari, come i mitocondri o il reticolo endoplasmatico, possono subire danni nel corso del tempo. L'autofagia è coinvolta nella rimozione di organelle danneggiate per mantenere l'omeostasi cellulare.

4. Eliminazione di Patogeni Intracellulari: L'autofagia gioca un ruolo nella difesa cellulare eliminando patogeni intracellulari, contribuendo così alla risposta immunitaria.

L'autofagia è comunemente considerata come un meccanismo di sopravvivenza cellulare, poiché aiuta le cellule a rispondere a situazioni di stress o a mantenere la loro funzionalità durante fasi critiche dello sviluppo. Questo processo coinvolge la formazione di vescicole autofagiche che avvolgono il materiale da eliminare e lo trasportano verso i lisosomi, dove avviene la sua degradazione.

Mitochondria - Mitochondria = le centrali energetiche cellulari dove viene prodotta l'energia. Utilizzano i componenti alimentari (principalmente carboidrati) per produrre molecole altamente energetiche (ATP). L'idrolisi dell'ATP = energia

Citoscheletro - Cytoskeleton  = supporto meccanico, forma e resistenza

Ciglia, flagelli - Celia, flagella = movimento cellulare, organelli sensoriali

Divisione cellulare

La divisione cellulare è un processo fondamentale in biologia che consente alle cellule di creare nuove cellule, garantendo la crescita, la riparazione dei tessuti e, nei casi di organismi unicellulari, la riproduzione asex. Vediamo alcune importanti considerazioni sulla divisione cellulare:

1. Ragioni della Divisione Cellulare:

•  Crescita: Dal tuo momento della nascita, quando eri composto da una singola cellula, il tuo corpo ha sperimentato una crescita straordinaria attraverso la divisione cellulare. Questa continua anche dopo la nascita per sostituire le cellule danneggiate o perse.

•  Riparazione: Quando si verifica un danno ai tessuti, le cellule circostanti possono entrare in divisione per riparare il tessuto danneggiato. Ad esempio, le cellule del fegato possono dividersi in risposta a danni all'organo.

•  Riproduzione: Negli organismi unicellulari, la divisione cellulare è il meccanismo principale per la riproduzione asex. Alcuni organismi pluricellulari utilizzano la divisione cellulare per la riproduzione anche in determinate fasi del loro ciclo di vita.

2. Tipi di Divisione Cellulare:

•  Mitosi:La divisione cellulare più comune per le cellule somatiche (tutte le cellule tranne le cellule germinali). La mitosi assicura che le cellule figlie siano geneticamente identiche alla cellula madre.

•  Meiosi: Si verifica nelle cellule germinali (gameti) e porta alla formazione di cellule con metà del numero di cromosomi della cellula madre. Questo è cruciale per la riproduzione sessuale e la variabilità genetica.

3. Fasi del Ciclo Cellulare:

• Interfase: La fase di preparazione in cui la cellula cresce e duplica i suoi contenuti, ad eccezione del DNA. Comprende tre subfasi: G0, G1, S e G2.

• Mitosi: La divisione del nucleo, che comprende diverse fasi: profase, prometafase, metafase, anafase e telofase.

4. Controllo del Ciclo Cellulare:

Il ciclo cellulare è strettamente regolato per evitare errori e assicurare che le cellule si dividano solo quando necessario. Il checkpoint del ciclo cellulare verifica la corretta esecuzione di ciascuna fase.

5. Cellule Post-Mitotiche:

Alcune cellule, come i neuroni del cervello, non si dividono più dopo una certa fase dello sviluppo. La loro capacità di divisione è limitata o assente, e danni o perdite di tali cellule possono essere irreversibili.

Il processo di divisione cellulare è cruciale per la vita e la crescita degli organismi, garantendo la corretta riproduzione delle cellule e la manutenzione dell'omeostasi nei tessuti.

1. Entrare in G0: Si pensava che le cellule entrassero principalmente in G0 a causa di fattori ambientali (ad esempio, la fame), limitate risorse per la proliferazione. Veniva considerato come una fase di riposo normale delle cellule non-dividenti. Le cellule neuronali, tra le più metabolicamente attive, risiedono in una fase G0 terminale come parte del loro programma di sviluppo.

2. Checkpoint G1: Prima di uscire dalla fase G1, le cellule devono superare un test di integrità chiamato checkpoint. Se il checkpoint è negativo, si tenta una riparazione. Se la riparazione ha successo, si procede alla successiva fase di interfasica (fase S); se non ha successo, la cellula viene segnalata per commettere suicidio (apoptosi o morte cellulare programmata).

3. Criteri di passaggio del checkpoint G1:

   - Segnali che indicano alle cellule di dividere.

   - Le cellule devono avere abbondanti nutrienti.

   - Il DNA deve essere in condizioni ottimali.

   - Le cellule devono avere la giusta dimensione e forma per dividersi.

4. La fase S: In questa fase, il DNA viene replicato. Dopo la replicazione del DNA, le cellule entrano nella fase Gap 2 (G2), attraversando un altro checkpoint (checkpoint G2) per verificare la replicazione del DNA prima di entrare nell'ultima fase (divisione).

5. Criteri di passaggio del checkpoint G2:

   - Il DNA non è danneggiato.

   - Le cellule hanno copiato tutti i cromosomi.

   - Segnali indicano alla cellula di procedere nella mitosi.

   - Se il checkpoint non ha successo, le cellule rimarranno bloccate in G2, e si tenta la riparazione del DNA. Se la riparazione ha successo, si procede alla divisione; in caso contrario, si verifica l'apoptosi.

6. Divisione cellulare:

   - La replicazione del DNA produce due insiemi di geni (DNA).

   - La suddivisione del DNA tra le cellule figlie avviene tramite i cromosomi.

   - I geni (DNA) sono organizzati in cromosomi (chrs).

7. - I cromosomi: Le cellule somatiche contengono due di ogni cromosoma; sono cellule diploidi (2n). Coppie corrispondenti di cromosomi sono chiamate omologhi o cromosomi omologhi. Le normali cellule somatiche hanno 23 coppie di cromosomi, per un totale di 46 cromosomi. Una coppia di cromosomi è il cromosoma sessuale (XX o XY), mentre le altre 22 coppie (autosomi) sono simili in maschi e femmine.

8. - Kariotipo: La rappresentazione dei cromosomi di un individuo.

9. - Le cellule germinali (2n) generano gameti come uova e spermatozoi. I gameti contengono un solo cromosoma di ogni tipo e sono cellule aploidi (n).

Mitosi

La mitosi è un processo di divisione cellulare che si verifica nelle cellule somatiche e porta alla formazione di due cellule figlie identiche alla cellula madre. Questo processo è coinvolto in diversi scopi:

1. **Crescita:** La mitosi è responsabile della crescita del tessuto e dell'organismo nel suo complesso.

2. **Riparazione:** In caso di danni ai tessuti, le cellule circostanti possono attraversare la mitosi per riparare l'area danneggiata.

3. **Sostituzione:** Le cellule somatiche, come quelle della pelle o del sangue, si sostituiscono costantemente attraverso la mitosi.

Il processo di mitosi può essere suddiviso in diverse fasi:

1. **Replicazione del DNA:** Durante questa fase, i cromosomi (DNA) si replicano per formare due copie identiche, chiamate cromatidi fratelli.

2. **Allineamento dei cromatidi:** I cromatidi fratelli si allineano lungo una struttura chiamata fuso mitotico.

3. **Segregazione dei cromatidi:** I cromatidi fratelli si separano e vengono distribuiti alle due cellule figlie.

4. **Partizionamento delle cellule:** La membrana cellulare si forma intorno ai cromosomi separati, formando così due cellule figlie identiche.

Meiosi

La meiosi è un processo di divisione cellulare coinvolto nella formazione di gameti (cellule sessuali) e si verifica solo nelle cellule germinali, che sono le cellule che danno origine a spermatozoi e ovuli. La meiosi riduce il numero di cromosomi a metà, creando quattro cellule figlie uniche, ciascuna con la metà del numero di cromosomi della cellula madre. La meiosi è fondamentale per la variabilità genetica in una popolazione. Durante la ricombinazione genetica, i cromosomi omologhi si scambiano materiale genetico, aumentando la diversità genetica. Inoltre, la segregazione indipendente dei cromosomi durante la meiosi contribuisce a una varietà ancora maggiore di combinazioni genetiche nelle cellule gametiche. La meiosi si divide in due divisioni cellulari: meiosi I e meiosi II.

1. **Meiosi I:** Durante questa fase, i cromosomi omologhi si separano, riducendo il numero di cromosomi a metà. Viene anche eseguita una ricombinazione genetica attraverso lo scambio di segmenti di DNA tra cromosomi omologhi, noto come crossing-over.

2. **Meiosi II:** Le cellule risultanti dalla meiosi I subiscono una seconda divisione cellulare, simile alla mitosi. Alla fine, si ottengono quattro cellule figlie, ciascuna contenente metà del numero di cromosomi della cellula madre.

Errore grave - Non-disgiunzione

La meiosi deve separare attentamente i cromosomi per garantire che ogni gamete riceva un set completo di cromosomi (attraverso molti checkpoint). A volte, i cromosomi non si separano correttamente e viaggiano insieme, causando la non-disgiunzione.

• Non-disgiunzione durante la meiosi I: Se questo accade e poi la meiosi II procede regolarmente, il risultato sono due gameti con una copia extra di uno dei cromosomi e due gameti privi di uno dei cromosomi.

• Non-disgiunzione durante la meiosi II: In questo caso, il risultato sono due gameti normali, un gamete con una copia extra di un cromosoma e un gamete privo di un cromosoma.

Quando un gamete con un numero anormale di cromosomi viene fecondato, si forma un individuo aneuploide. Questo si verifica quando una persona ha un numero errato di cromosomi nelle sue cellule.

Quando di più significa meno - Trisomia 21 (o Sindrome di Down): La trisomia 21 è una delle poche anomalie cromosomiche compatibili con la vita umana ed è anche la più comune (1 su 733 nascite). Questa condizione deriva dalla presenza di 3 copie del cromosoma 21 anziché due. Problemi associati alla trisomia 21:

• Aumento del rischio di malattie cardiache

• Malattia di Alzheimer

• Leucemia infantile

• Problemi respiratori e tiroidei compromessi

• Ritardo mentale da lieve a moderato

Il rischio di trisomia 21 aumenta con l'età della madre, con un aumento significativo dopo i 35 anni. Attuali ricerche si concentrano sulla scoperta dei geni responsabili della sindrome di Down e sulla possibilità di correggere tali geni attraverso la terapia genica.

Geni e DNA

Il concetto di geni, sottolinea la loro importanza come pezzi di acido nucleico contenenti istruzioni fondamentali per generare prodotti, come RNA o proteine. Mentre i geni sono generalmente composti da DNA, esistono eccezioni, come nei virus a RNA come il SARS-CoV-2. Sottolineando il loro ruolo come unità ereditarie, i geni svolgono un ruolo cruciale nel trasferire informazioni genetiche attraverso le generazioni, illustrando i processi complessi coinvolti nel trasferimento delle informazioni biologiche.

La biologia molecolare si basa sul trasferimento di informazioni, e il concetto chiave di questo processo è rappresentato dalla "dogma centrale della biologia molecolare". Questa teoria stabilisce che la replicazione del DNA, la trascrizione del DNA in RNA e la traduzione dell'RNA in una proteina costituiscano fasi essenziali del trasferimento di informazioni nella biologia molecolare. La regola di appaiamento delle basi del DNA, dove Adenina si appaia con Timina e Guanina con Citosina, è fondamentale e associata alla complementarietà delle catene di DNA.

La replicazione del DNA è un processo vitale che avviene nel nucleo cellulare, permettendo ai geni (DNA) di duplicarsi prima della divisione cellulare. Questo processo avviene grazie a una serie di fasi, tra cui la separazione delle catene di DNA e la loro duplicazione utilizzando entrambe come modelli. La replicazione del DNA è un processo semiconservativo, in cui ciascuna delle nuove molecole di DNA contiene una catena proveniente dalla molecola parentale.

Per svolgere la replicazione del DNA, è necessario seguire una serie di passaggi che coinvolgono enzimi specifici. L'apertura della doppia elica del DNA è eseguita dagli elicasi, mentre le proteine leganti a singolo filamento (SSBP) stabilizzano le singole catene per evitare il riunirsi. L'enzima topoisomerasi rilassa la tensione generata durante l'apertura della doppia elica. La replicazione del DNA inizia da specifiche sequenze nucleotidiche chiamate origini di replicazione (ORI), e l'enzima primasi RNA inizia la sintesi di brevi primer di RNA complementari alle ORI.

DNA polimerasi

Responsabile della sintesi del nuovo filamento di DNA, richiede un innesco per iniziare la replicazione. Questo ruolo è svolto dalla primasi DNA, che sintetizza brevi primer di RNA che fungono da punto di partenza per la sintesi del nuovo filamento di DNA. Una volta che i primer di RNA sono presenti, la DNA polimerasi può aggiungere i nucleotidi corretti per completare la sintesi del nuovo filamento di DNA, mantenendo così la continuità e l'integrità delle informazioni genetiche durante il processo di replicazione.

Durante la sintesi del DNA, la DNA polimerasi (DNA POL) si muove dal 3' al 5'. L'estremità 5' del nuovo nucleotide viene aggiunta all'estremità 3' della catena crescente, e quindi il nuovo filamento di DNA cresce nella direzione 5' verso 3'. Questo processo implica la prova del DNA POL, poiché l'enzima può commettere errori a un tasso di circa 1 ogni 100.000 nucleotidi. Sebbene possa sembrare insignificante, considerando che gli esseri umani hanno 6 miliardi di coppie di basi in ogni cellula diploide, ciò si tradurrebbe in circa 120.000 errori ogni volta che una cellula si divide. Tuttavia, la DNA POL è sorvegliata da un meccanismo di correzione delle bozze (proofreading) che aiuta a mantenere l'integrità del materiale genetico, riducendo gli errori durante la replicazione del DNA.

Trascrizione DNA

La trascrizione del DNA è un processo che produce un RNA messaggero (mRNA) da un modello di DNA. Questo processo avviene nel nucleo cellulare e presenta due differenze principali rispetto alla replicazione del DNA. In primo luogo, l'RNA utilizza l'uracile (U) al posto della timina (T). In secondo luogo, viene utilizzato solo un filamento del DNA come modello, chiamato filamento template, che è il filamento inferiore.

Il processo di trascrizione del DNA avviene in diverse fasi: inizialmente, i filamenti del DNA si separano; successivamente, l'mRNA viene trascritto (copiato) dal filamento template del DNA; infine, il filamento di mRNA trascritto lascia il filamento template del DNA, che si appaia nuovamente con il filamento non-template. La sequenza di mRNA trascritta è identica al filamento non-template del DNA, ad eccezione del fatto che l'uracile sostituisce la timina. La reattività del gruppo 2'-OH sulla ribosio rende l'RNA meno stabile rispetto al DNA, che è una delle ragioni per cui il DNA è generalmente considerato un materiale genetico più affidabile. Durante la trascrizione, le sequenze promotorie svolgono un ruolo cruciale, con il 2% del DNA contenente i codici per le proteine. I promotori sono sequenze uniche situate all'inizio del gene da esprimere e sono riconosciuti dalla cellula quando ha bisogno di costruire una proteina specifica. In particolare, il 20% dei promotori eucariotici contiene una sequenza comune chiamata "TATA box". Questa sequenza è situata vicino al sito in cui inizia la trascrizione, noto come sito +1.

La polimerasi dell'RNA (RNA POL) è l'enzima chiave nel processo di trascrizione del DNA. Legandosi al promotore, la RNA POL svolge diverse funzioni cruciali durante la trascrizione. Innanzitutto, scioglie il legame idrogeno nel doppio elico del DNA (DNA DH) per permettere la lettura del filamento template. Utilizzando il filamento template (3'-5'), costruisce la molecola di RNA basandosi sul principio della complementarietà. È importante notare che il filamento non letto del DNA è chiamato filamento non-template o filamento codificante, e ciò può sembrare confusionario poiché, alla fine, la sequenza del filamento non-template sarà identica a quella del nuovo RNA, con l'uracile (U) al posto della timina (T).

Durante la trascrizione, la RNA POL riceve assistenza dai fattori di trascrizione, che sono proteine regolatrici che controllano il processo di trascrizione. Questi fattori di trascrizione aiutano la RNA POL a riconoscere e legarsi ai promotori, regioni specifiche del DNA all'inizio di un gene.

La terminazione della trascrizione è segnata da sequenze chiamate terminatori di trascrizione. Quando la RNA POL legge una sequenza terminatore, si stacca dal filamento template del DNA e rilascia il nuovo RNA appena sintetizzato. I terminatori di trascrizione spesso contengono una sequenza che induce l'RNA appena sintetizzato a ripiegarsi su se stesso per formare un'ansa a forcina, struttura che stacca la RNA POL dal DNA, concludendo la trascrizione.

In eucarioti, l'RNA appena trascritto, chiamato pre-mRNA o trascritto primario, non è ancora pronto per la traduzione, ovvero non è ancora un vero mRNA (RNA messaggero). Deve liberarsi di tutte le sequenze genomiche non codificanti per la proteina corrispondente, dette introni. Il risultato finale, chiamato mRNA, deve essere privo di informazioni non codificanti (introni). Questa eliminazione degli introni avviene attraverso un processo chiamato RNA splicing.

Traslazione RNA

La traduzione dell'RNA è un processo che produce una proteina da un modello di mRNA attraverso il codice genetico. Questo processo rappresenta un cambio di linguaggio, passando dal linguaggio degli acidi nucleici (nucleotidi) a quello delle proteine (aminoacidi). La traduzione avviene nel citoplasma e richiede un altro tipo di RNA chiamato tRNA (RNA di trasporto).

Il codice genetico è composto da triplette di basi dell'RNA chiamate codoni. Ciascun codone codifica per un aminoacido specifico. L'mRNA viene letto dal 5' al 3', e la sintesi della proteina avviene dal capo amino (-NH2) al capo carbossilico (-COOH). Ogni nuovo aminoacido si aggiunge all'estremità COOH del precedente durante la sintesi proteica.

I tRNA svolgono il ruolo di interpreti durante la traduzione dell'RNA. Ogni tRNA ha una sequenza chiamata anticodone che fa base pairing con un codone specifico sull'mRNA. Ogni tRNA può base-pair con un solo codone dell'mRNA alla volta. In questo modo, i tRNA traducono l'informazione codificata nell'mRNA in sequenze di aminoacidi, facilitando la sintesi delle proteine. La sintesi proteica è coordinata dai ribosomi, organelli cellulari specializzati.

La traduzione dell'RNA è un processo che produce una proteina da un modello di mRNA attraverso il codice genetico. Questo processo avviene nel citoplasma e richiede un altro tipo di RNA chiamato tRNA (RNA di trasporto). La traduzione rappresenta un cambio di linguaggio dalla lingua degli acidi nucleici (nucleotidi) alla lingua delle proteine (amminoacidi).

Il codice genetico è basato su triplette di basi dell'RNA chiamate codoni. Ogni codone codifica per un singolo amminoacido, e l'mRNA viene letto dalla direzione 5' a 3'. La proteina viene sintetizzata dalla parte -NH2 all'estremità COOH, con ogni nuovo amminoacido aggiunto all'estremità C del precedente.

Nel processo di traduzione, i tRNA agiscono come interpreti, traducendo i codoni in amminoacidi. Ogni tRNA ha una sequenza chiamata anticodone che si appaia con un specifico codone su un mRNA. Dopo l'appaiamento codone-anticodone, il tRNA lega covalentemente il corretto amminoacido e lo trasporta al ribosoma per la sintesi proteica.

Il codone di inizio, noto come codone START, è sempre AUG e codifica per l'amminoacido metionina. Il processo di traduzione continua fino a quando viene raggiunto un codone di stop (UAA, UAG o UGA), che non codifica alcun amminoacido, ma segna la fine della traduzione. Durante la traduzione, gli amminoacidi vengono uniti in sequenza per formare la catena polipeptidica della proteina finale.

Mutazioni del DNA

Le mutazioni del DNA possono influenzare il fenotipo di un organismo, ossia le caratteristiche osservabili di un individuo. Il collegamento tra la sequenza del DNA e un tratto specifico è cruciale per capire come le mutazioni influenzino il risultato finale. Il tratto, o caratteristica osservabile, di un organismo è chiamato fenotipo, che può includere caratteristiche come il colore degli occhi, il colore dei capelli, l'altezza, ecc.

Il flusso di informazioni geniche da DNA a fenotipo coinvolge diversi passaggi. Durante la trascrizione, il DNA viene convertito in RNA, e durante la traduzione, l'RNA viene utilizzato per sintetizzare proteine specifiche, che a loro volta contribuiscono al fenotipo.

Le mutazioni, cioè cambiamenti nella sequenza nucleotidica del DNA, possono influenzare il fenotipo. Le mutazioni puntiformi coinvolgono la sostituzione di un nucleotide con un altro nel DNA originale. Ad esempio, cambiare TAACTT in TAACCT rappresenta una mutazione puntiforme.

Le inserzioni si verificano quando uno o più nucleotidi vengono aggiunti alla sequenza originale, come nel passaggio da TAACT a TAACCT. Le delezioni, invece, comportano la rimozione di uno o più nucleotidi dalla sequenza originale, come nel passaggio da TAACTGC a TAACGC.

In generale, le mutazioni del DNA possono portare a cambiamenti nelle sequenze di RNA, che a loro volta influenzano la sequenza di proteine sintetizzate e, infine, il fenotipo dell'organismo.

Ricapitolando, le mutazioni del DNA possono manifestarsi in diversi modi, ognuno dei quali può avere conseguenze specifiche:

• Missense Mutation: Modifica un singolo nucleotide, cambiando un amminoacido nella sequenza proteica e producendo una proteina diversa.

• Nonsense Mutation: Interrompe prematuramente la traduzione dell'mRNA, generando una proteina troncata che spesso è non funzionale.

• Silent Mutation: Non causa cambiamenti nell'aminoacido codificato a causa della ridondanza del codice genetico. La proteina finale è identica a quella non mutata.

• Inserzione/Delezione: Altera il frame di lettura e può portare alla sintesi di una proteina completamente diversa.

Le proteine prodotte da queste mutazioni possono essere non funzionali (perdita di funzione), iperfunzionali (guadagno di funzione) o addirittura acquisire una nuova funzione. Tutti questi aspetti possono contribuire a patologie umane significative.

Oltre a queste mutazioni dirette nei geni, ci sono numerose altre mutazioni che possono verificarsi in regioni diverse del DNA, come la "DNA control region". Queste mutazioni possono influenzare la quantità di mRNA prodotto e, di conseguenza, la quantità di proteina sintetizzata.

Alleli 

Gli alleli rappresentano le diverse forme di un gene. Un gene può avere varianti, chiamate alleli, che possono differire nella sequenza del DNA rispetto al gene di riferimento, noto come gene wild-type. Gli alleli sono responsabili delle variazioni nei tratti ereditari di un individuo.

Ad esempio, consideriamo un gene chiamato "APPLE" che controlla il colore di una mela. L'allele "APPLEB" potrebbe determinare una mela verde, mentre l'allele "APPLEb" potrebbe determinare una mela gialla. Gli alleli sono posizionati su cromosomi, e in una cellula diploide (che ha coppie di cromosomi), ogni allelo si trova su uno dei cromosomi corrispondenti.

Durante la divisione cellulare mitotica nelle cellule somatiche (corpo), i cromosomi replicano e le cellule figlie mantengono gli stessi alleli della cellula genitrice. Nel caso della divisione cellulare meiotica, che avviene nelle cellule germinali (uova e spermatozoi), vengono prodotte cellule figlie haploidi con alleli che non sono identici a quelli delle cellule genitrici. Questo contribuisce alla diversità genetica nelle popolazioni.

Questi diagrammi illustrano i processi di mitosi e meiosi, due tipi di divisione cellulare che portano alla formazione di cellule figlie con diverse composizioni genetiche.

Nella mitosi (ereditarietà somatica), una cellula diploide (2n) subisce la replicazione del DNA, risultando in due cromatidi fratelli identici. I cromosomi omologhi si segregano nelle cellule figlie, ognuna delle quali è diploide e identica alla cellula genitrice. Questo processo assicura il mantenimento delle stesse informazioni genetiche nelle cellule somatiche.

Nella meiosi (ereditarietà delle linee germinali), una cellula diploide (2n) subisce anche la replicazione del DNA, risultando in cromosomi omologhi. Durante la meiosi I, i cromosomi omologhi si segregano, e i cromatidi fratelli possono subire la formazione di chiasmi e crossing-over. Nella meiosi II, i cromatidi fratelli si segregano nuovamente, risultando in quattro cellule figlie aploidi (n). Queste cellule non sono identiche alla cellula genitrice e contribuiscono alla diversità genetica.

La segregazione indipendente degli alleli è evidenziata nella meiosi, sottolineando come gli alleli per geni diversi (ad esempio, geni per il colore e il gusto delle mele) si segregano indipendentemente durante la formazione dei gameti. Ciò contribuisce alle diverse combinazioni di tratti osservate nella prole. Ad esempio, quattro tipi di gameti con diverse combinazioni di alleli per il colore delle mele (APPLEB, APPLEb) e il gusto (APPLES, APPLEs).

Griglie di Punnett

Costituiscono uno strumento essenziale per comprendere la trasmissione ereditaria dei tratti genetici. Nella genetica, è fondamentale conoscere le sequenze del DNA responsabili di specifici tratti, come anche capire come questi tratti vengano ereditati e regolati dai geni. Questo è particolarmente rilevante in contesti legati alle malattie genetiche. La genetica, in quanto disciplina scientifica, fornisce gli strumenti necessari per comprendere le funzioni dei geni e il modo in cui vengono ereditati. 

Il concetto di genotipo, che rappresenta l'insieme completo dei geni di un individuo, è cruciale. In un contesto più specifico, il termine "genotipo" può essere utilizzato per fare riferimento alle diverse forme di un gene portate da un organismo, chiamate anche "allele". 

Il fenotipo, ovvero le caratteristiche osservabili di un individuo, come ad esempio il colore verde associato al genotipo APPLEB,APPLEB, è influenzato non solo dagli effetti genetici, ma anche dagli effetti ambientali. 

La genetica studia il DNA come l'unità ereditaria, i geni sono la sequenza di DNA, e gli alleli rappresentano le diverse forme di un gene. 

I concetti di generazione (gen) aiutano a classificare gli individui nati nello stesso periodo dagli stessi genitori, come i genitori (P gen), la prima generazione di discendenti (F1 gen), e così via. I tratti genetici possono essere dominanti, recessivi, codominanti o incompletamente dominanti, con le griglie di Punnett che forniscono uno strumento pratico per prevedere le probabilità di eredità dei tratti in incroci monoibridi e determinare i genotipi e fenotipi della prole.

Gli individui possono manifestare tratti che sono dominanti, recessivi, codominanti o incompletamente dominanti. Nella combinazione di alleli, il tratto dominante prevale su quello recessivo. Ad esempio, se un individuo ha il genotipo AA, il tratto associato (ad esempio, rosso) sarà espresso, mentre nel caso di aa (genotipo recessivo), il tratto (ad esempio, bianco) sarà manifestato. Il concetto di dominanza è cruciale nelle griglie di Punnett, che sono utilizzate nelle incroci genetici per prevedere i risultati in base ai genotipi dei genitori. 

Se si considera un gene che determina il colore delle mele, con i genotipi BB (verde) e bb (giallo), la lettera maiuscola rappresenta l'allele dominante. Incrociando genitori con genotipi diversi, come ad esempio un genitore BB e uno bb, si ottiene una prima generazione (F1) con genotipo Bb, che esprime il tratto dominante verde. 

Utilizzando le griglie di Punnett, è possibile prevedere la proporzione di genotipi e fenotipi nella prole, come ad esempio nell'incrocio F1 x F1.

• Se il tuo gene ha due alleli uguali (ad esempio BB o bb) Omozigote

• Se il tuo gene ha due alleli diversi (ad es. Bb)  Eterozigote

Passando alla seconda generazione:

Inoltre, la possibilità di tratti codominanti o incompletamente dominanti aggiunge complessità alle previsioni della genetica, ma fornisce al contempo una maggiore comprensione della diversità dei tratti ereditari. Infine, nel caso in cui il genotipo di un genitore sia sconosciuto, è possibile utilizzare un test di incrocio (test cross) con una linea di incrocio vero-breeding (TBS) per determinare se il genotipo è omozigote dominante (ad esempio, BB), eterozigote (Bb) o omozigote recessivo (bb). Questi concetti forniscono un quadro completo per comprendere e prevedere la trasmissione ereditaria dei tratti genetici.

Pedigree 

I pedigree rappresentano uno strumento per comprendere tratti genetici complessi, specialmente in relazione alle malattie. Quando la genetica di un tratto è intricata, coinvolgendo molti geni o associandosi al sesso, i pedigree forniscono preziosi dettagli dalla storia familiare. Le convenzioni nella scrittura dei pedigree prevedono la rappresentazione di femmine e maschi e l'indicazione della presenza del tratto in esame, come una malattia, o un colore specifico degli occhi e così via.

I pedigree seguono una nomenclatura specifica, con simboli che rappresentano individui e le loro relazioni. Ad esempio, un tratto recessivo potrebbe essere indicato dalla presenza del tratto in una figlia affetta con due genitori sani. Al contrario, un tratto dominante potrebbe essere caratterizzato dal modello in cui ogni discendente affetto ha un genitore affetto, come si osserva nell'accoppiamento di un figlio affetto (F1) con una femmina non affetta, risultando in una figlia affetta (F2).

Comprendere il ruolo degli autosomi (22 coppie di cromosomi) e dei cromosomi sessuali (XX per le femmine, XY per i maschi) è fondamentale per interpretare i pedigree. I pedigree possono essere classificati in tre tipi in base a questi cromosomi: autosomico recessivo, autosomico dominante e legato al cromosoma X recessivo. Nei tratti legati al cromosoma X recessivo, spesso i maschi sono più colpiti rispetto alle femmine a causa della presenza di un solo cromosoma X.

Il pedigree per un tratto autosomico dominante con genotipi può essere rappresentato attraverso Punnett square, offrendo un'analisi dettagliata della trasmissione genetica nelle generazioni successive. Ad esempio, consideriamo un tratto autosomico dominante contrassegnato dalla lettera D, con il genotipo DD o Dd. Nella prima generazione (gen I), se entrambi i genitori hanno il genotipo Dd, tutti i loro figli (gen II) avranno un genotipo Dd, poiché il tratto dominante si manifesta in tutti i discendenti.

Per un tratto autosomico recessivo, con il genotipo rr, la presenza del tratto sarà evidente solo se entrambi i genitori sono portatori del tratto recessivo (Rr). Nel Punnett square, si possono vedere le possibili combinazioni di geni nei figli (gen II), e si ottiene che il 25% di essi avrà il genotipo rr, esprimendo quindi il tratto recessivo.

In caso di un tratto legato al cromosoma X recessivo, dove solo i maschi sono colpiti, è possibile utilizzare il Punnett square considerando i cromosomi sessuali X e Y. Se una madre portatrice XRXr si accoppia con un maschio affetto XrY, il 50% dei figli maschi avrà il genotipo XrY, esprimendo il tratto recessivo legato al cromosoma X.

I pedigree discussi sono semplici e ideali. Non sempre si ottengono rapporti identici a quelli previsti a causa di schemi ereditari non mendeliani, che includono (tra gli altri):

- Codominanza e dominanza incompleta

- Caratteri poligenici: alcuni tratti sono determinati dall'effetto combinato di più di una coppia di geni, tratti poligenici (o continui) (un esempio di ciò è l'altezza umana)

- Serie di alleli multipli: il sistema di gruppo sanguigno ABO è anche un esempio di un tratto controllato da più di una singola coppia di alleli

- Geni modificatori e regolatori: i geni modificatori alterano come certi altri geni sono espressi nel fenotipo (ad esempio, esiste un gene dominante per la cataratta che produrrà vari gradi di deficit visivo a seconda della presenza di un allelo specifico per un gene modificatore compagno)

- Penetranza incompleta: alcuni geni sono incompletamente penetranti, il loro effetto non si verifica normalmente a meno che non siano presenti determinati fattori ambientali. Ad esempio, si possono ereditare i geni responsabili del diabete di tipo 2 ma non sviluppare mai la malattia a meno che non si diventi molto sovrappeso, si sia persistentemente stressati psicologicamente o non si dorma abbastanza; i geni che causano la malattia autoimmune cronica, la sclerosi multipla, possono essere innescati dal virus di Epstein-Barr,...

- Pleiotropia: un singolo gene può essere responsabile di una varietà di tratti. Il complesso di sintomi che sono collettivamente chiamati tratto o anemia falciforme, ne è un esempio. Un singolo gene porta a globuli rossi irregolari che bloccano dolorosamente i vasi sanguigni, causando un povero sviluppo fisico generale, oltre a problemi cardiaci, polmonari, renali e oculari correlati

- Alleli di balbuzie: alcune malattie ereditarie geneticamente hanno sintomi più gravi in ogni generazione successiva a causa dei segmenti dei geni difettosi che vengono duplicati nella loro trasmissione ai figli (tipicamente disordini neurodegenerativi fatali)

- Potresti non avere abbastanza discendenti al F1 per interpretare il pedigree. È necessario analizzare F2, F3,...

Ingegneria genetica

La genetica ingegneristica rappresenta un campo avanzato della biologia molecolare che offre strumenti e tecniche per manipolare il materiale genetico. 

La genetica ingegneristica, o tecnologia del DNA ricombinante (RDNA), implica la costruzione di DNA in laboratorio e la clonazione molecolare, ovvero la produzione di numerose copie identiche del medesimo DNA. Questo processo è motivato da vari obiettivi, quali la produzione di grandi quantità di proteine corrispondenti attraverso la trascrizione e la traduzione del DNA clonato. 

Le applicazioni includono la purificazione e lo studio delle proteine stesse o la loro modifica per scopi terapeutici. La genetica ingegneristica trova impiego anche nella creazione di organismi geneticamente modificati, sia animali che vegetali. Gli animali geneticamente modificati possono essere utilizzati per scopi nutrizionali, come nel caso di mucche in grado di produrre latte ipoallergenico o resistere alle infezioni batteriche. Inoltre, sono impiegati a fini di ricerca, come nei topi transgenici per studi sulle malattie. Allo stesso modo, gli alimenti geneticamente modificati possono essere progettati per migliorare la nutrizione, la resistenza alle malattie e alle siccità, ridurre l'uso di pesticidi e aumentare la disponibilità di cibo con costi inferiori e una maggiore durata. Un esempio noto è il "riso dorato", ingegnerizzato per produrre beta-carotene e prevenire la carenza di vitamina A nelle diete a base di riso. Nonostante alcune preoccupazioni iniziali, le prove scientifiche hanno dimostrato che gli alimenti geneticamente modificati attualmente in uso non causano allergie, tossicità o cambiamenti genetici dannosi. 

La costruzione di DNA ricombinante richiede la fase di identificazione del gene di interesse (GOI), seguita dalla sua estrazione da una porzione più ampia e l'inserimento in un vettore, che agisce come un veicolo per la replicazione del DNA.

Il processo di costruzione del DNA ricombinante comprende la fase di taglio del DNA, che viene eseguita mediante l'uso di specifiche proteine chiamate endonucleasi di restrizione (RE). Questi enzimi agiscono come "forbici molecolari", tagliando il DNA in posizioni specifiche. Le endonucleasi di restrizione riconoscono sequenze specifiche di DNA, si legano a tali sequenze e inducono la rottura del DNA a tali specifiche posizioni. È importante che il taglio effettuato da una RE può lasciare due tipi di estremità di DNA: estremità lisce (blunt ends) o estremità appiccicose (sticky ends). 

Le prime non presentano nucleotidi non appaiati, mentre le seconde presentano basi singole non appaiate, consentendo alle estremità appiccicose di accoppiarsi con sequenze complementari. Un esempio prototipico di RE che produce estremità lisce è SmaI, derivato dal batterio Serratia marcescens. Al contrario, l'enzima EcoRI, derivato dal batterio Escherichia coli, è un esempio di RE che produce estremità appiccicose. Alcuni enzimi di restrizione, come PstI, possono produrre estremità appiccicose sia a 5' che a 3'. La scelta tra estremità lisce o appiccicose dipende dall'enzima utilizzato e dalla specificità delle sequenze target.

Vettori ed enzimi di ligazione

La tecnologia del gene editing coinvolge l'uso di vettori e enzimi di ligation, componenti chiave nel campo dell'ingegneria genetica. Quando si isola un Gene of Interest (GOI), un argomento avanzato riguarda l'inserimento di questo GOI in una molecola di DNA vettore. Il vettore agisce come una piattaforma che consente la replicazione (clonazione) del GOI. I plasmidi, molecole circolari di DNA comunemente presenti nelle cellule batteriche, sono spesso utilizzati come vettori. Queste molecole di DNA auto-replicanti non essenziali svolgono una funzione simile a quella di un rudimentale virus del DNA. I plasmidi contengono un sito di Origine di Replicazione (ORI), una sequenza di DNA che guida la cellula ospite nell'iniziare la replicazione del plasmide, consentendogli di riprodursi all'interno delle cellule. Gli ORI permettono ai plasmidi di replicarsi nelle cellule batteriche raggiungendo un elevato numero di copie, spesso superiore a 10.000 copie per cellula. I plasmidi vengono geneticamente modificati per servire come vettori ideali per la clonazione, contenendo specifici siti per l'inserimento del GOI. Questa ingegnerizzazione assicura che i frammenti di restrizione bersaglio, tagliati da particolari enzimi di restrizione, abbiano una posizione unica nel plasmide per l'inserimento del GOI. Di conseguenza, questi vettori, con l'ausilio degli enzimi di ligation (ligasi), svolgono un ruolo vitale nella riuscita della clonazione e replicazione del Gene of Interest.

Le DNA ligases svolgono un ruolo cruciale nell'ingegneria genetica, specificamente nel processo di inserimento del Gene of Interest (GOI) in un vettore di DNA, come i plasmidi. Questo passaggio è essenziale per la replicazione e clonazione del GOI. Le DNA ligases sono enzimi che uniscono estremità di DNA compatibili, cioè estremità che possono essere abbinate. Esistono due tipi di estremità di DNA che possono essere legate: estremità smussate (blunt ends) e estremità appaiate (sticky ends).

Gli estremi smussati possono legarsi indipendentemente dalla sequenza di nucleotidi, mentre solo le estremità appaiate complementari possono legarsi attraverso l'appaiamento delle basi. Dopo l'operazione di legatura, può verificarsi o meno la ricreazione di un sito di restrizione per endonucleasi.

Ad esempio, due estremità smussate qualsiasi possono legarsi facilmente, senza la necessità di una sequenza specifica. D'altra parte, estremità appaiate complementari, come quelle generate da enzimi di restrizione specifici, possono legarsi attraverso l'appaiamento delle basi. Ad esempio, l'enzima EcoRI produce estremità appaiate complementari.

Per inserire il GOI nel vettore, vengono seguiti alcuni passaggi chiave. Inizialmente, il vettore viene preparato tagliando il sito di restrizione bersaglio con un enzima di restrizione specifico. Successivamente, il GOI viene tagliato nel DNA originale, possibilmente utilizzando lo stesso enzima di restrizione impiegato nella preparazione del vettore. Questo assicura la presenza di estremità compatibili sul vettore e sul GOI, necessarie per l'azione della DNA ligasi. Infine, le molecole risultanti vengono sigillate mediante l'azione della DNA ligasi.

Per garantire che solo i batteri che portano il plasmide contenente il GOI sopravvivano, vengono introdotti marcatori selezionabili, tipicamente geni condizionalmente dominanti che conferiscono resistenza agli antibiotici. Ad esempio, la resistenza all'ampicillina è un comune marcatore selezionabile. Trattando i batteri trasformati con l'antibiotico, solo quelli contenenti il plasmide con il marcatore resistente all'ampicillina possono sopravvivere. Questo processo permette di selezionare efficacemente i batteri che portano il plasmide contenente il GOI.

Reazione a Catena della Polimerasi 

La Reazione a Catena della Polimerasi (PCR) è una tecnica che consente di amplificare esponenzialmente il DNA in un tubo da prova di laboratorio. Questo processo permette di ottenere una grande quantità di DNA identico a partire da una quantità molto ridotta di materiale genetico. Ci sono tre differenze principali tra la clonazione del DNA e la PCR:

1. La clonazione molecolare replica il DNA all'interno di cellule viventi (batteri), mentre la PCR replica il DNA in una soluzione in vitro (tecnica senza cellule).

2. La clonazione molecolare coinvolge il taglio e l'incollaggio di sequenze di DNA, mentre la PCR amplifica il DNA copiando una sequenza esistente.

3. Il DNA clonato mediante clonazione molecolare è solitamente copiato fedelmente e completamente funzionale, mentre la PCR introduce errori nella sequenza, causando mutazioni.

La PCR è ampiamente utilizzata in diversi campi, tra cui il sequenziamento genetico, la diagnostica, la medicina forense e test di paternità. I passaggi principali della PCR includono:

1. Denaturazione (95°C): il DNA a doppio filamento viene separato in due filamenti singoli riscaldando a una temperatura elevata.

2. Annealing (55°C): vengono aggiunti primer di DNA specifici, complementari alle estremità 5' e 3' dei filamenti singoli di DNA, creando i punti di inizio necessari per la sintesi del DNA.

3. Estensione (75-80°C): viene aggiunta una specifica DNA polimerasi, che estende l'estremità 3' di ciascun primer lungo il filamento corrispondente del DNA. Il risultato è la formazione di due copie del DNA template.

Questi tre passaggi vengono ciclati ripetutamente (tipicamente 25-35 volte) nello stesso tubo di prova, generando una rapida amplificazione esponenziale del DNA. La PCR può essere eseguita automaticamente utilizzando strumenti specifici. Un enzima di DNA polimerasi comunemente impiegato nella PCR è la Taq DNA polimerasi, che è termoresistente e mantiene l'attività anche a temperature elevate.

La progettazione accurata dei primer è essenziale per garantire il successo della PCR. I primer devono essere complementari alle sequenze specifiche del DNA bersaglio per consentire una corretta ibridazione durante la fase di annealing. La PCR ha rivoluzionato la biologia molecolare, fornendo un metodo potente ed efficiente per amplificare specifiche sequenze di DNA.

Polymerase Chain Reaction (PCR) è una tecnica utilizzata per amplificare esponenzialmente il DNA in un tubo da laboratorio. Questa tecnica consente di ottenere grandi quantità di DNA a partire da una quantità molto ridotta. Ci sono tre differenze principali tra la clonazione del DNA e la PCR:

1. La clonazione molecolare replica il DNA all'interno delle cellule viventi (batteri), mentre la PCR replica il DNA in una soluzione in vitro (tecnica senza cellule).

2. La clonazione molecolare implica il taglio e l'incollaggio di sequenze di DNA, mentre la PCR amplifica il DNA copiando una sequenza esistente.

3. Il DNA clonato tramite clonazione molecolare viene generalmente copiato fedelmente e risulta completamente funzionale, mentre la PCR introduce errori nella sequenza, causando mutazioni.

La PCR è ampiamente utilizzata in diverse applicazioni, tra cui sequenziamento genico, diagnostica, analisi forense, indagini criminali e test genitoriali. 

La Taq DNA polimerasi è comunemente utilizzata in PCR. È una DNA polimerasi termoresistente derivata dal batterio termofilo Thermus aquaticus. I primers vengono progettati in modo da essere complementari alle sequenze target di DNA.

I risultati della PCR vengono solitamente visualizzati mediante elettroforesi su gel, una tecnica che separa i frammenti di DNA in base alla dimensione. La visualizzazione avviene attraverso la formazione di bande sul gel, e la dimensione dei frammenti può essere determinata utilizzando uno standard noto come "DNA ladder".

La PCR è ampiamente utilizzata in ambito forense per il profiling del DNA, utilizzando marcatori polimorfici noti come short tandem repeats (STRs). Questi STRs sono sequenze di DNA non codificante che contengono ripetizioni della stessa sequenza nucleotidica. L'analisi del profilo del DNA consente di identificare persone o relazioni familiari, ed è una potente tecnica diagnostica e di indagine scientifica. La procedura coinvolge l'amplificazione del DNA, l'identificazione degli STR tramite elettroforesi su gel e la comparazione dei profili risultanti.

La tecnica di PCR è anche utilizzata nella ricerca medica per studiare mutazioni genetiche associate al cancro. Le mutazioni genetiche possono essere ereditate o acquisite durante la vita e sono coinvolte nello sviluppo di diverse patologie, inclusi i tumori. La PCR consente agli scienziati di analizzare e amplificare specifiche sequenze di DNA per comprendere meglio le cause genetiche delle malattie.

I geni BRCA, noti come BRCA1 e BRCA2, sono classificati come geni soppressori dei tumori. Normalmente, questi geni producono due proteine, BRCA1 e BRCA2, che svolgono un ruolo cruciale nella riparazione del DNA danneggiato, mantenendo così la stabilità del materiale genetico della cellula. Tuttavia, quando questi geni subiscono mutazioni, possono diventare oncogeni, aumentando il rischio di sviluppare il cancro, in particolare il cancro al seno o all'ovaio nelle donne.

Le mutazioni nei geni BRCA possono essere ereditate da entrambi i genitori e possono essere trasmesse sia ai figli maschi che a quelli femmine. Il pattern di ereditarietà è autosomico dominante, il che significa che avere una copia del gene alterato in ogni cellula (eterozigosi) è sufficiente per aumentare la probabilità che la persona sviluppi il cancro. Ogni figlio di un portatore genetico ha una probabilità del 50% di ereditare il gene mutato dal genitore che porta la mutazione.

È importante notare che le mutazioni nei geni BRCA non solo aumentano il rischio di cancro al seno e all'ovaio, ma possono anche aumentare la suscettibilità ad altri tipi di cancro, come il cancro al colon, al pancreas e alla prostata.

Nelle famiglie con una storia di cancri legati ai geni BRCA, è possibile cercare mutazioni nei BRCA. Il processo coinvolge:

1. Estrazione del DNA da un piccolo campione di sangue o saliva.

2. Isolamento e amplificazione dei geni BRCA1 e BRCA2 tramite PCR (Reazione a Catena della Polimerasi), seguito dalla verifica attraverso elettroforesi su gel, dove ognuno dovrebbe mostrare una singola e forte banda.

3. Sequenziamento automatico di ciascun prodotto PCR di BRCA1 e BRCA2, consentendo un confronto con il tipo selvatico per identificare eventuali mutazioni.

Questi test genetici sono particolarmente cruciali per individui con una storia familiare di cancri legati ai geni BRCA o nei casi in cui si sospettano nuovi cancri legati a BRCA. I risultati di tali test possono fornire informazioni preziose sul rischio di cancro di un individuo e guidare interventi medici personalizzati.

Immunologia

Essere un patogeno non è un compito facile. Per causare una malattia, un patogeno deve compiere alcune fasi chiave:

1. Guadagnare accesso al corpo

2. Attaccare e/o penetrare le cellule dell'ospite. I recettori sul patogeno devono adattarsi, chiave e serratura, con i siti dei recettori sulla cellula ospite.

3. Riprodursi evitando le risposte del sistema immunitario dell'ospite

Esempio: Helicobacter pylori, con molteplici flagelli, può penetrare il rivestimento dell'epitelio gastrico, causando infezioni.

La microbiota normale

La microbiota normale protegge il corpo competendo con i potenziali patogeni attraverso l'antagonismo microbico. Questa microbiota normale difende il corpo consumando nutrienti che altrimenti sarebbero disponibili per i patogeni e modificando talvolta il pH dell'area in cui risiedono in modi che danneggiano i microbi concorrenti. La presenza della microbiota normale stimola alcune parti della seconda linea di difesa immunitaria, aiutando il corpo a difendersi dagli invasori. La microbiota normale nell'intestino migliora la salute generale producendo diversi tipi di vitamine.

La prima linea di difesa (FLD) - Il sistema immunitario innato

L'immunità innata, o non specifica, è il sistema di difesa con cui sei nato. Protegge contro tutti gli antigeni (non specifici). Innanzitutto, coinvolge barriere che impediscono a materiali dannosi di entrare nel corpo, formando così la prima linea di difesa nella risposta immunitaria.

Questa prima linea di difesa comprende tutte quelle strutture, sostanze chimiche e processi che lavorano per impedire ai patogeni di entrare nel corpo, inclusa la pelle e le membrane mucose dei sistemi respiratorio, digestivo, urinario e riproduttivo.

Pelle - Componenti fisiche della FLD

La pelle è composta principalmente da due strati principali:

1. Epidermide

2. Derma: Ipoderma ed Fascia

Epidermide

• Strato esterno composto da più strati di cellule strettamente impaccate.

• Pochi patogeni possono penetrare questi strati.

• L'eliminazione delle cellule morte della pelle rimuove i microorganismi aderenti.

• Le cellule dendritiche epidermiche (cellule di Langherans) fagocitano i patogeni.

• Queste cellule si estendono tra le altre cellule dell'epidermide, formando una rete per intercettare gli invasori.

Derma

Suddiviso in due strati: il *strato papillare* e il *reticolare*. Contiene fibre proteiche chiamate collagene, conferendo alla pelle forza e flessibilità per resistere alle abrasioni che potrebbero introdurre microrganismi.

Pelle - Componenti chimiche della FLD

Sudorazione

• Secernuto dalle ghiandole sudoripare.

• Funzioni: I sali inibiscono la crescita dei patogeni attirando acqua dalle loro cellule. Peptidi antimicrobici, come la lisozima, distruggono le pareti cellulari dei batteri.

Sebo

• Secernuto dalle ghiandole sebacee.

• Funzioni: Aiuta a mantenere la pelle flessibile e meno incline a rompersi o lacerarsi. Abbassa il pH della pelle a un livello inibitorio per molti batteri.

Membrane mucose - FLD ibrida

Le membrane mucose rivestono tutte le cavità corporee aperte all'ambiente esterno, come occhi, orecchie, naso, bocca e genitali. Comprendono pochi strati di cellule epiteliali sopravvissute da uno strato di tessuto connettivo lasso. Alcune membrane mucose secernono muco, un fluido protettivo che intrappola patogeni e sporcizia per evitare la loro penetrazione. Inoltre, le membrane mucose producono lisozima e altri peptidi antimicrobici.

La seconda linea di difesa

Leucociti - Granulociti

I granulociti sono una categoria di globuli bianchi caratterizzati dalla presenza di granuli nel loro citoplasma. Ci sono tre tipi principali:

1. Neutrofili

•    I più abbondanti tra i globuli bianchi.

•    Cellule predominanti nell'esudato purulento, responsabili del suo aspetto biancastro.

•    Rispondono rapidamente in caso di lesioni tissutali.

•    Sono caratteristici dell'infiammazione acuta.

2. Eosinofili

•    Coinvolti nelle risposte allergiche e nell'asma.

•    Combattono anche la colonizzazione da parte di elminti (vermi).

3. Basofili

•    I granulociti meno comuni.

•    Quando attivati, rilasciano composti infiammatori e pro-infiammatori.

I neutrofili ed eosinofili possono fagocitare i patogeni.

Leucociti - Agranulociti

Gli agranulociti sono una categoria di globuli bianchi caratterizzati dall'assenza di granuli nel loro citoplasma. Ci sono due tipi principali:

1. Linfociti: Coinvolti principalmente nell'IMMUNITÀ SPECIFICA (terza linea di difesa immunitaria - TLD).

2. Monociti: Abbandonano il sangue e maturano in macrofagi (cellule fagocitiche della SLD).

I leucociti (globuli bianchi) come agenti distruttori intracellulari:

- Fagocitosi: queste cellule ingeriscono e distruggono microrganismi stranieri.

 Leucociti - DLS

 I leucociti come agenti distruttori extracellulari:

• Linfociti naturali killer (NK): Secernono tossine sulla superficie delle cellule infette da virus o cellule cancerogene. Differenziano le cellule normali del corpo grazie a proteine di membrana simili alle NK.

• Neutrofili ed eosinofili: Possono intrappolare e uccidere i patogeni catturandoli in strutture extracellulari chiamate "trappole extracellulari simili a reti" (NET). Fatte di DNA e proteine antimicrobiche. Legano, neutralizzano e uccidono i patogeni extracellularmente.

Difese chimiche non specifiche - DLS

 Lisosima, Defensine e Citochine (inclusi interferoni e interleuchine)

- Potenziano la fagocitosi.

- Alcune attaccano direttamente i patogeni.

- Alcune migliorano le caratteristiche della resistenza non specifica.

Infiammazione - DLS

- Risposta non specifica al danno tissutale.

- Eventi microcircolatori importanti durante il processo infiammatorio includono:

  - Cambiamento della permeabilità vascolare dovuto al rilascio di istamine.

  - Reclutamento e accumulo di leucociti.

  - Rilascio di mediatori infiammatori.

- Associata a calore, gonfiore e dolore.

Febbre - DLS

Temperatura corporea al di sopra della normale gamma di 36.5-37.5 °C (98-100 °F). Vari tipi di pirogeni:

  - Tossine batteriche.

  - Citoplasma di batteri rilasciato dalla lisi.

  - Complessi anticorpo-antigene.

  - Interleuchina-I (IL-1, una citochina).

- Benefici: Aumenta la velocità di reazione del sistema immunitario. Inibisce la crescita di alcuni microrganismi sensibili alla temperatura. Aumenta la sudorazione.

La terza linea di difesa - Immunità acquisita (specifica)

Riconoscimento degli Invasori

• La capacità del corpo di riconoscere e difendersi contro invasori distinti.

• Un sistema "intelligente" anche chiamato immunità specifica e/o adattativa.

• La "memoria" consente di rispondere rapidamente a incontri successivi con un patogeno.

• Se il sistema immunitario non specifico ha guerrieri, l'immunità acquisita ha agenti specializzati e assassini più sofisticati.

• Due tipi di immunità specifica: Naturalmente acquisita: risposta immunitaria contro antigeni incontrati nella vita quotidiana. Artificialmente acquisita: risposta ad antigeni introdotti attraverso vaccini.

Antigeni

• Il corpo non dirige la risposta immunitaria contro interi batteri, funghi, protozoi o virus.

• Le molecole straniere (antigeni) innescano una risposta immunitaria specifica.

• Includono componenti delle pareti cellulari batteriche, capsule, pili, e flagelli, così come le proteine di virus, funghi e protozoi.

• Cibo e polvere possono anche contenere particelle antigeniche.

• Entrano nel corpo attraverso vari metodi: Attraverso lesioni nella pelle e nelle mucose. Iniezione diretta, come con un morso o un ago. Trapianti di organi e innesti di pelle.

Anticorpi

Chiamati anche immunoglobuline (Ig). Proteine che si legano agli antigeni al sito di legame dell'antigene.

Anticorpi

• Proteine che si legano agli antigeni al sito di legame dell'antigene.

• Alcuni agiscono come opsonine, marcatori per identificare gli antigeni per i fagociti e stimolare la fagocitosi.

• Alcuni funzionano come antitossine (neutralizzano tossine, ad esempio quelle che causano difterite e tetano).

• Alcuni si attaccano ai flagelli batterici rendendoli meno attivi e più facili da inglobare per i fagociti.

• Alcuni causano l'agglutinazione (aggregazione) dei batteri, rendendoli meno propensi a diffondersi.

E molto altro...

Il sistema linfatico

• Esamina i tessuti del corpo per antigeni stranieri.

• Composto da vasi linfatici e cellule linfatiche.

• Un sistema monodirezionale che conduce la linfa dai tessuti locali e la riporta nel sistema circolatorio.

• La linfa è un liquido con composizione simile al plasma sanguigno.

• I linfonodi contengono linfociti che riconoscono e attaccano gli antigeni stranieri presenti nella linfa.

I linfociti

• Globuli bianchi dell'immunità specifica

• I più piccoli tra i leucociti.

• Hanno un nucleo enorme circondato da un sottile alone di citoplasma.

• Prodotti dalle cellule staminali del sangue nel midollo osseo rosso.

I linfociti

• Globuli bianchi dell'immunità specifica.

• I più piccoli tra i leucociti.

• Hanno un nucleo enorme circondato da un sottile alone di citoplasma.

• Prodotti dalle cellule staminali del sangue nel midollo osseo rosso.

• Due tipi principali: B-cellule: mature nel midollo osseo, poi si concentrano nei linfonodi e nella milza. T-cellule: mature nel timo.

T-cellule (o T-linfociti)

• Prodotti nel midollo osseo rosso e maturano nel timo.

• Circolano nella linfa e nel sangue e migrano nei linfonodi (e in altre aree del sistema linfatico).

• Parte della risposta immunitaria cellulare perché agiscono direttamente contro vari antigeni: Patogeni intracellulari (all'interno delle cellule del corpo). Cellule del corpo anomale come cellule tumorali.

T-cellule (o T-linfociti)

•   T citotossiche o killer (Tc): distruggono le cellule compromesse del corpo (ad es. cellule tumorali).

•   T helper (Th): attivano le B-cellule.

B-cellule (o B-linfociti) – le APC

• Considera i globuli bianchi come una pattuglia di sicurezza per il tuo corpo.

• Qualsiasi antigene non proprio è considerato un cattivo individuo.

• Maggiore è la pattuglia, più è probabile che uno degli agenti incontri un cattivo e aiuti il corpo ad appreenderlo.

• Ogni globulo bianco che può afferrare e presentare un antigene a un'altra cellula immunitaria è chiamato cellula presentante l'antigene (APC).

Le APCs

Le cellule presentanti l'antigene (APC) sono un gruppo eterogeneo di cellule del sistema immunitario che mediano la risposta immunitaria cellulare processando e presentando antigeni per il riconoscimento da parte di determinati linfociti come le T-cellule.

Sono classificate come: APC professionali: includono cellule dendritiche, macrofagi, cellule di Langerhans e B-cellule. APC atipiche: includono basofili, eosinofili, alcune cellule cutanee (come i fibroblasti e alcune cellule epiteliali ed endoteliali) e cellule gliali (cervello), tra gli altri.

Presentazione dell'antigene

• Le macrofagi sono cellule presentanti l'antigene (APC).

• Presentano antigeni (frammenti sulla superficie di patogeni o oggetti stranieri) alle cellule T helper (Th), attivandole.

• Ogni cellula Th riconosce e si lega a un antigene specifico.

• Il legame della cellula Th all'antigene presentato dal macrofago attiva la cellula Th.

• Ciò porta alla sua proliferazione e all'attivazione di altre cellule del sistema immunitario che eliminano l'antigene.

B-cellule (o B-linfociti)

Le B-cellule attivate producono: Plasmacellule: producono anticorpi per un patogeno. Cellule di memoria: ricordano lo stesso patogeno per una produzione più veloce di anticorpi nelle infezioni future.