FisiopatologiaFisiopatologia

Prof. Gerolama Condorelli

Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare “L. Califano”

e-mail: gecondor@unina.it

ArgomentiArgomenti::

1. DNA, RNA, 2. Malattie genetiche3. Danno cellulare, Necrosi e apoptosi4. Caratteristiche e classificazione degli

ormoni5. Trasduzione del segnale6. Il cancro7. Il sistema immune8. L’aterosclerosi9. Le cellule staminali

Date di esami: 5 appelli

GennaioFebbraioGiugnoLuglio

Settembre

Definizioni: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.

Patologia generale: Studia le cause (eziologia) ed i meccanismi (patogenesi) che danno origine alle manifestazioni cliniche.

Fisiopatologia: (Patologia sistemica) studia le alterazioni della funzione degli organi specializzati.

Anatomia patologica: studia le alterazioni morfologiche e biochimiche di cellule, tessuti ed organi

Definizioni:Definizioni:

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

Il DNA o acido deossiribonucleico è contenuto nel nucleo della cellula.

Il DNA associato a proteineCostituisce i cromosomi.

Il DNA si duplica in maniera fedele e viene trasmesso alle cellule figlie nelledivisioni cellulari

DOVE SI TROVA IL PROGRAMMA CHE CONTROLLALE FUNZIONI DEI VIVENTI ?

Nel DNA !

DOVE SI TROVA IL DNA ?

I batteriSono cellule

procariotiche,prive di nucleo

Negli organismi euacariotici il DNA è contenuto nel nucleo

Il lievito del pane e della birraOrganismo 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 Adenina

CitosinaCitosina GuaninaGuanina

TiminaTimina

Guanina Citosina

UracileAdenina

Le basi azotate sono in grado di formare legami idrogeno e di associarsi tra loro in modo reversibile

DNA RNA

La molecola di DNA è a doppio La molecola di DNA è a doppio filamento: forma una struttura a filamento: forma una struttura a

spirale definita spirale definita doppia elicadoppia elica

La Guanina si La Guanina si accoppia con la accoppia con la Citosina Citosina

L’Adenina si L’Adenina si accoppia con la accoppia con la TiminaTimina

Le basi azotate Le basi azotate si appaiano si appaiano nella doppia nella doppia elicaelica

1954: Watson e Crick descrivono la

doppia elica

Rosalind FranklinNon 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

I cromosomi sono costituiti da una regione centrale detta centromero che divide il cromosoma in due sezioni dette braccia.

Braccio corto, pBraccio lungo, q

Cromosomi

Un cromosoma Un cromosoma umano medio umano medio contiene un doppio contiene un doppio filamento di DNA filamento di DNA lungo lungo 8 centimetri!8 centimetri!

Le cellule Le cellule utilizzano utilizzano meccanismi molto meccanismi molto sofisticati per sofisticati per riuscire a riuscire a comprimere tutto il comprimere tutto il loro DNA loro DNA nell'esiguo spazio nell'esiguo spazio del volume del volume nuclearenucleare

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

cellule in INTERFASE(fase tra una divisione e l’altra)

Trattamento delle cellule con una sostanza fluorescente

che viene incorporata specificamente nei cromosomi

(cellula in divisione !)Cromosomi di cellule umane

Divisione cellulare

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

• 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.

I geni sono conservati nell’evoluzione

L’informazione genetica contenuta nel DNA viene trasferita nell’RNA messaggero (mRNA) mediante un processo definito trascrizione che avviene

nel nucleo

RNA: acido ribonucleico

Guanina Citosina

UracileAdenina

La molecola di RNA è a singolo La molecola di RNA è a singolo filamentofilamento

Trascrizione: come le cellule copiano il DNA di un gene in un trascritto a RNA

Un filamento di DNA funge da filamento stampoper 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:

INTRONINell’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?

AGTC

tre basi nucleotitiche del DNA/mRNA che

corrispondono ad uno specifico aminoacido

Codone:

43

64 possibili combinazioni

Solo 20 amino acidi

Codice genetico

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’RNAmAnticodone: CGCCodone: 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

diversaE’ 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 • enhancerRegolano qualitativamente e quantitativamente la funzione dei geni

Si conosce la sequenza del DNA della cellula?

Human genome project

Progetto genoma umano

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

Conoscenza della funzione dei circa 30.000 geni contenuti nel nostro DNA

Utilizzo della bioinformatica

Studi di genomica funzionale

Analisi dell’espressione genica

Analisi dei dati

Normalizzazione e combinazione dati

Canale 1 Canale 2 Canali1+2

Ibridazione del target marcato con il vetrino

Scansione del vetrino

Estrazione dell’RNA

Retrotrascrizione dell’RNA in presenza

di un fluoroforo

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.

MicroarrayAnalisi comparativa simultanea di migliaia di geni in tipi cellulari diversi

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)

Microarray chip

Paragonare due tipi cellulariEs: 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 NormaliRosso 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 DNAIngegneria 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.