Fisiopatologia
Prof. Gerolama Condorelli
Dipartimento di Biologia e
Patologia Cellulare e Molecolare
“L. Califano”
e-mail: [email protected]
Argomenti:
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DNA, RNA,
Malattie genetiche
Danno cellulare, Necrosi e apoptosi
Caratteristiche e classificazione degli ormoni
Trasduzione del segnale
Il cancro
Il sistema immune
L’aterosclerosi
Le cellule staminali
Date di esami: 5 appelli
Gennaio
Febbraio
Giugno
Luglio
Settembre
Definizioni:
Patologia: Lo studio (logos) della
sofferenza (pathos).
•
•
É la disciplina che collega la
scienza di base alla medicina
clinica.
Studio
delle
modificazioni
funzionali alla base delle malattie.
Definizioni:
generale:
Studia le cause
(eziologia) ed i meccanismi (patogenesi) che
danno origine alle manifestazioni cliniche.
Patologia
Fisiopatologia: (Patologia sistemica) studia
le alterazioni della funzione degli organi
specializzati.
Anatomia patologica: studia le alterazioni
morfologiche e biochimiche di cellule, tessuti
ed organi
Diversi livelli di organizzazione:
Cellule- tessuto- organo- apparato-Organismo
E’ possibile individuare più di 200 tipi cellulari distinti
Tutte le cellule hanno lo stesso patrimonio
genetico che risiede nel DNA
Il DNA è la molecola della vita
DOVE SI TROVA IL PROGRAMMA CHE CONTROLLA
LE FUNZIONI DEI VIVENTI ?
DOVE SI TROVA IL DNA ?
Il DNA o acido deossiribonucleico
è contenuto nel nucleo della cellula.
Il DNA associato a proteine
Costituisce i cromosomi.
Il DNA si duplica in maniera fedele
e viene trasmesso alle cellule figlie nelle
divisioni cellulari
Nel DNA !
I batteri
Sono cellule procariotiche,
prive di nucleo
Negli organismi euacariotici il DNA
è contenuto nel nucleo
Il lievito del pane e della birra
Organismo eucariote unicellulare
Il DNA è composto da monomeri chiamati
nucleotidi.
Ogni nucleotide è composto da uno zucchero a 5
atomi di carbonio al quale sono legati le basi azotate
ed un gruppo fosfato
Lo zucchero che compone DNA è il desossiribosio
Lo zucchero che compone RNA è il ribosio
Adenina
Timina
Uracile
RNA
DNA
Citosina
Adenina
Guanina
Guanina
Citosina
Le basi azotate sono in grado di formare legami idrogeno
e di associarsi tra loro in modo reversibile
La molecola di DNA è a doppio filamento:
forma una struttura a spirale definita
doppia elica
Le basi azotate si
appaiano nella
doppia elica
L’Adenina si accoppia
con la Timina
La Guanina si accoppia
con la Citosina
1954: Watson e Crick
descrivono la doppia
elica
Rosalind Franklin
Non ha avuto il premio Nobel ma i
suoi studi sono stati molto importanti
Nel nucleo di ciascuna cellula il DNA è
compresso in strutture definite
cromosomi
Cromosomi
I
cromosomi
sono
costituiti da una regione
centrale
detta
centromero che divide il
cromosoma in due sezioni
dette braccia.
Braccio corto, p
Braccio lungo, q
Un cromosoma umano
medio
contiene
un
doppio filamento di
DNA
lungo
8
centimetri!
Le cellule utilizzano
meccanismi
molto
sofisticati per riuscire
a comprimere tutto il
loro DNA nell'esiguo
spazio
del
volume
nucleare
Ogni cromosoma è costituito da DNA strettamente
avvolto a proteine definite ISTONI che fungono da
supporto alla struttura del DNA
Ognuno di noi possiede 46 cromosomi:
22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali
Un cromosoma deriva dalla madre ed uno dal padre
Quindi, ogni persona ha due copie di ciascun gene:
una derivante dal padre, ed uno dalla madre
Cromosomi di cellule umane
(cellula in divisione !)
Trattamento delle cellule con una
sostanza fluorescente
che viene incorporata
specificamente nei cromosomi
Divisione cellulare
cellule in INTERFASE
(fase tra una divisione e l’altra)
Una cellula si sta dividendo…
I cromosomi si separano
Cosa è un gene?
Unità funzionale dell’ereditarietà. Sono
costituiti da DNA e contengono le
informazioni per formare molecole chiamate
proteine
Le caratteristiche ereditarie sono sotto il
controllo di tratti di DNA chiamati GENI
Ogni gene codifica per una proteina
L’insieme dei geni di un organismo è definita
GENOTIPO
Le caratteristiche visibili di un organismo,
determinate dal genotipo in associazione con
l’ambiente, sono chiamate FENOTIPO
Stesso genotipo…..
……Diverso fenotipo…..
I geni dell’uomo sono molto simili con quelli di altre specie
L’unicità di una specie non è imputabile ai geni di
per sé, ma a come gli stessi geni sono regolati e
organizzati nel genoma
I geni sono conservati nell’evoluzione
• Alcuni geni si sono “conservati”
durantel’evoluzione.
• Sequenza simile tra uomo e
altre specie.
• Il 74% dei geni noti nell’uomo
ha un corrispondente omologo in
C.Elengans.
• Questo può essere utilizzato
per lo studio della funzione dei
geni nell’uomo.
L’informazione genetica contenuta nel DNA viene
trasferita nell’RNA messaggero (mRNA) mediante un
processo definito trascrizione che avviene nel nucleo
La molecola di RNA è a singolo filamento
RNA: acido ribonucleico
Adenina
Uracile
Guanina
Citosina
Trascrizione: come le cellule copiano il
DNA di un gene in un trascritto a RNA
Un filamento di DNA funge da filamento stampo
per produrre l’RNA messaggero
L’RNAm contiene l’informazione per formare le proteine:
Processo definito TRADUZIONE
Non tutta l’informazione contenuta nel DNA
si tramuta in gene
Sequenza coding
(codificante) = quella
che dà luogo a proteina= ESONE
Sequenza NON coding
(non
codificante)= Funzione strutturale,
regolatoria? INTRONE
Il gene è costituito da: Regioni “codificanti” ESONI
Regioni NON codificanti: INTRONI
Nell’mRNA maturo, gli introni sono eliminati
Regioni non codificanti aumentano nella scala evolutiva
Processo di rimozione degli introni dagli
esoni nella molecola di mRNA matura che
deve tradursi in proteina
SPLICING dell’RNA
Lo splicing dell’RNA rimuove gli introni e
congiunge esoni adiacenti
La traduzione avviene nella cellula in strutture
chiamate ribosomi
Come l’informazione
contenuta nel DNA e quindi
nell’mRNA è utilizzata per
la produzione delle
proteine?
A
G
T
C
Codone:
tre basi nucleotitiche del
DNA/mRNA che corrispondono ad
uno specifico aminoacido
Codice genetico
43
64 possibili combinazioni
Solo 20 amino acidi
Codice genetico: 61 codoni rappresentano i 20
aminoacidi, mentre 3 codoni indicano uno stop
Codice genetico degenerato
Come una particolare sequenza
di nucleotidi è specifica per un
particolare aminoacido?
Grazie alla funzione svolta dalla molecola di RNBA
chiamato RNA transfer (RNAt)
Vi sono tanti tRNA per ciascun aminoacido e per
ciascuna tripletta di nucleotidi dell’mRNA (codoni)
L’aminoacido è attaccato all’appropriato tRNA
grazie ad un enzima attivante specifico per
quell’aminoacido e per quel codone
tRNA
Ogni tRNA ha una sequenza
di 3 nucleotidi,
l’anticodone, che può
legare la sequenza
complementare dell’RNAm
Anticodone: CGC
Codone:
GCG
Fasi della traduzione
1- legame del ribosoma all’RNAm
2- riconoscimento del segnale di
inizio AUG
3- legame del tRNA ai ribosomi
(il primo aminoacido è sempre una
metionina)
4- Allungamento della catena
polipeptidica. Legame covalente
tra gli aminoacidi
5- termine della traduzione
quando si incontra uno STOP
codon.
Gli aminoacidi formano le proteine
Gli aminoacidi che costituiscono le proteine
Le proteine si organizzano in conformazioni complesse
per svolgere diverse funzioni
Struttura primaria
Struttura secondaria
Struttura terziaria
Le cellule dei vari tessuti hanno lo stesso contenuto
di DNA, ma hanno una FUNZIONE diversa
E’ l’espressione dei geni e quindi delle proteine che
cambia
L’espressione genetica cambia anche durante
la trasformazione cellulare
La specificità tissutale è
determinata in parte dal profilo
dei fattori di trascrizione
presenti in un tipo cellulare
Un gene può essere acceso o spento nella cellula grazie alla
regolazione della trascrizione genica
La regolazione genica è un processo importante per il
differenziamento e lo sviluppo dei tessuti.
Le regioni regolatrici dei geni sono definite:
• regioni promotori
• enhancer
Regolano qualitativamente e quantitativamente la funzione dei geni
Si conosce la sequenza del DNA
della cellula?
Human genome project
Progetto genoma umano
Studi di genomica
Si sono potuti leggere i 3
miliardi e 500 milioni di
“lettere” che compongono il
nostro DNA.
Solo il 5% del DNA codifica
per geni che dirigono la
sintesi di RNA e proteine.
Studi di genomica funzionale
Conoscenza della funzione dei circa 30.000 geni
contenuti nel nostro DNA
Utilizzo della bioinformatica
Analisi dell’espressione genica
Estrazione dell’RNA
Retrotrascrizione
dell’RNA in presenza
di un fluoroforo
Ibridazione del target
marcato con il vetrino
Normalizzazione e
combinazione dati
Canale 1
Canale 2
Scansione del vetrino
Canali
1+2
Analisi dei dati
Disporre di un microarray o chip, contenente DNA a singolo
filamento, che rappresenta migliaia di geni, ognuno disposto in
uno specifico spot. Ogni spot comprende migliaia di copie di
filamenti di DNA.
Microarray
Analisi comparativa simultanea di migliaia di geni in tipi cellulari diversi
Microarray chip
Consiste di un vetrino su cui sono depositati migliaia di sonde di
DNA complementari a sequenze geniche in un punto ben preciso
del supporto (Griglia)
Paragonare due tipi cellulari
Es: cellula normale vs cellula neoplastica
Cellula trattata con un composto VS cellula non trattata
Il chip viene poi messo a contatto con il chip molecole di
DNA o di mRNA legate ad un marcatore fluorescente
Esempio:
Verde il cDNA delle cellule Normali
Rosso quello delle cellule tumorali
Il legame si ottiene quando il cDNA del campione trova la
sequenza di basi complementari sul chip.
Tale legame significa che il gene presente nel chip era attivo o
"espresso" nel campione.
Mettere il chip in uno scanner. Il computer calcola il
rapporto di marcature rosso/verde di ogni spot (per
quantificare ogni variazione di attività genica indotta dal
composto) e generare la lettura
Osservare se esiste una modulazione a carico di geni
possibilmente coinvolti in un quadro noto di patologia
Terapia genica
Sostituire il gene malato con uno sano
La prima terapia genica umana per la sindrome SCID
da deficienza di adenosina deaminasi (ADA )
La manipolazione del DNA
Ingegneria genetica
Le applicazioni dell’ingegneria genetica
Il topo a destra porta il gene che codifica
l’ormone della crescita del ratto
Piante di soia resistenti all’erbicida glifosato.