Fisiopatologia
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FisiopatologiaFisiopatologia
Prof. Gerolama Condorelli
Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare “L. Califano”
e-mail: [email protected]
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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
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Date di esami: 5 appelli
GennaioFebbraioGiugnoLuglio
Settembre
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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.
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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:
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Diversi livelli di organizzazione: Cellule- tessuto- organo- apparato-
Organismo
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E’ possibile individuare più di 200 tipi cellulari distinti
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Tutte le cellule hanno lo stesso patrimonio genetico che risiede nel DNA
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Il DNA è la molecola della vita
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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 ?
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I batteriSono cellule
procariotiche,prive di nucleo
Negli organismi euacariotici il DNA è contenuto nel nucleo
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Il lievito del pane e della birraOrganismo eucariote unicellulare
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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
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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
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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
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1954: Watson e Crick descrivono la
doppia elica
Rosalind FranklinNon ha avuto il premio Nobel ma
i suoi studi sono stati molto importanti
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Nel nucleo di ciascuna cellula il DNA è compresso in strutture definite
cromosomi
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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
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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
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Ogni cromosoma è costituito da DNA strettamente avvolto a proteine definite
ISTONI che fungono da supporto alla struttura del DNA
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Ognuno di noi possiede 46 cromosomi: 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi
sessuali
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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
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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
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Cosa è un gene?
Unità funzionale dell’ereditarietà. Sono costituiti da DNA e contengono le informazioni per formare molecole
chiamate proteine
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Le caratteristiche ereditarie sono sotto il controllo di tratti di DNA chiamati GENI
Ogni gene codifica per una proteina
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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
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Stesso genotipo…..
……Diverso fenotipo…..
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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
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• 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
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L’informazione genetica contenuta nel DNA viene trasferita nell’RNA messaggero (mRNA) mediante un processo definito trascrizione che avviene
nel nucleo
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RNA: acido ribonucleico
Guanina Citosina
UracileAdenina
La molecola di RNA è a singolo La molecola di RNA è a singolo filamentofilamento
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Trascrizione: come le cellule copiano il DNA di un gene in un trascritto a RNA
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Un filamento di DNA funge da filamento stampoper produrre l’RNA messaggero
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L’RNAm contiene l’informazione per formare le proteine:Processo definito TRADUZIONE
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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
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Il gene è costituito da: Regioni “codificanti” ESONI Regioni NON codificanti:
INTRONINell’mRNA maturo, gli introni sono eliminati
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Regioni non codificanti aumentano nella scala evolutiva
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Processo di rimozione degli introni dagli esoni nella molecola di mRNA
matura che deve tradursi in proteina
SPLICING dell’RNA
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Lo splicing dell’RNA rimuove gli introni e congiunge esoni adiacenti
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La traduzione avviene nella cellula in strutture chiamate ribosomi
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Come l’informazione contenuta nel DNA e quindi nell’mRNA è
utilizzata per la produzione delle
proteine?
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AGTC
![Page 47: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/47.jpg)
tre basi nucleotitiche del DNA/mRNA che
corrispondono ad uno specifico aminoacido
Codone:
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43
64 possibili combinazioni
Solo 20 amino acidi
Codice genetico
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Codice genetico: 61 codoni rappresentano i 20 aminoacidi, mentre 3
codoni indicano uno stop
Codice genetico degenerato
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Come una particolare sequenza di nucleotidi è
specifica per un particolare aminoacido?
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Grazie alla funzione svolta dalla molecola di RNBA chiamato RNA transfer (RNAt)
![Page 52: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/52.jpg)
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
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tRNA
Ogni tRNA ha una sequenza di 3 nucleotidi, l’anticodone, che può legare la sequenza complementare dell’RNAmAnticodone: CGCCodone: GCG
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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.
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![Page 56: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/56.jpg)
Gli aminoacidi formano le proteine
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Gli aminoacidi che costituiscono le proteine
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Le proteine si organizzano in conformazioni complesse per svolgere diverse funzioni
Struttura primaria Struttura secondaria Struttura terziaria
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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
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L’espressione genetica cambia anche durante la trasformazione cellulare
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La specificità tissutale è determinata in parte dal
profilo dei fattori di trascrizione presenti in un
tipo cellulare
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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
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Si conosce la sequenza del DNA della cellula?
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Human genome project
![Page 67: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/67.jpg)
Progetto genoma umano
![Page 68: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/68.jpg)
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
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Conoscenza della funzione dei circa 30.000 geni contenuti nel nostro DNA
Utilizzo della bioinformatica
Studi di genomica funzionale
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![Page 71: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/71.jpg)
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
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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.
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MicroarrayAnalisi comparativa simultanea di migliaia di geni in tipi cellulari diversi
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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
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Paragonare due tipi cellulariEs: cellula normale vs cellula neoplastica
Cellula trattata con un composto VS cellula non trattata
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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
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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.
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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
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Osservare se esiste una modulazione a carico di geni possibilmente coinvolti in un quadro noto di patologia
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Terapia genica
Sostituire il gene malato con uno sano
![Page 83: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/83.jpg)
La prima terapia genica umana per la sindrome SCID da deficienza di adenosina deaminasi
(ADA )
![Page 84: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/84.jpg)
La manipolazione del DNAIngegneria genetica
![Page 85: Fisiopatologia](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062801/5681438a550346895db0084d/html5/thumbnails/85.jpg)
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.