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Testi consigliati
Biologia: •Biologia Cellulare e genetica-Parte Prima (A. Fantoni)-Piccin
•Biologia Molecolare della cellula (B. Alberts)-Zanichelli
•La cellula un approccio molecolare (G. Cooper)-Piccin
Genetica:•Biologia Cellulare e genetica-Parte Seconda (A. Fantoni)-Piccin
•Genetica un approccio molecolare (P. Russel)-Pearson
•Genetica principi di un analisi formale (Griffiths)-Zanichelli
BIOLOGIA:Scienza della vita (ovvero scienza che studia gli
essere viventi).
Cos’è la vita per un essere vivente: assumere
carbonio ridotto per riprodursi!
Caratteristiche degli organismi viventi
Organizzazione cellulare: tutti gli organismi consistono di una o più cellule.
Complessità ordinata: seppur molto complessi per forma e composizione chimica, la
complessità degli esseri viventi è precisa e si ripete, con le stesse caratteristiche, in
tutti gli individui della stessa specie.
Crescita e Sviluppo: implica il verificarsi di reazioni chimiche che la cellula impiega
per accrescersi e dividersi
Riproduzione: capacità di dare origine a nuovi organismi con caratteristiche simili a
quelle dei genitori. Ciò implica la capacità di trasmettere quell’informazione (genetica)
che caratterizza i singoli organismi.
Utilizzo di energia: Tutti gli organismi accumulano energia dall’esterno e la
utilizzano per le funzioni qui elencate
Omeostasi: Le condizioni interne ad un organismo sono mantenute costanti e diverse
da quelle presenti in quel momento nell’ambiente circostante.
Adattamento evolutivo: frutto della selezione naturale che opera su casuali
modificazioni dell’informazione genetica (mutazioni) rendendo i discendenti
dell’individuo che ha subito la mutazione più idonei alla sopravvivenza in particolari
condizioni.
Organizzazione gerarchica della vita
Liv
ello
chim
ico
Liv
ello
cellu
lare
Liv
ello
org
anis
mo
Liv
ello
di popo
lazio
ne
Classificazione della gerarchia nella vita: Tassonomia
Scimpanzé
La specie
Due organismi appartengono alla stessa specie se possono incrociarsi e dal loro incrocio si genera prole fertile.
Il cavallo e l’asino appartengono a due specie differenti!
Mulo: ibrido sterile
Cavalla Asino stallone
L’albero evolutivo
Antenato comune
Alla base di ogni snodo ha agito e continua ad agire la selezione naturale
La selezione naturale
Charles Darwin (1809-1882) HMS Beagle
Brigantino della Royal Navy
La rotta percorsa dal Beagle (5 anni)
L’origine della specie (1859)
La selezione naturale: meccanismo attraverso cui avviene l’evoluzione
Teoria di Lamarck:
•I cambiamenti ambientali generano nuove necessità.
•Queste ultime determinano l'uso o il disuso di uno o più organi.
•Questi organi si sviluppano o si atrofizzano, rispettivamente.
•I caratteri così acquisiti sono ereditari.
Teoria della selezione naturale (Darwin):
•Gli individui presentano variazioni (conseguenza delle mutazioni
geniche).
•La scarsità del cibo li obbliga a lottare per l'esistenza.
•Gli individui dotati di variazioni vantaggiose hanno più
probabilità di raggiungere lo stato adulto, riprodursi e
trasmettere queste variazioni alla loro discendenza.
La selezione naturale: la resistenza batterica agli antibiotici
+ Ampicillina
Colonie resistenti all’ampicillina
In questa piastra sono presenti batteri con una mutazione su un gene che conferisce quindi
resistenza all’ampicillina.
La pressione selettiva (in questo caso aver messo l’ampicillina nel terreno di coltura) permetterà la
sopravvivenza solo ai batteri con la mutazione favorevole.
Tempo 0 Tempo +24h
Non abusare degli antibiotici!!! La continua pressione selettiva genera resistenze!!!!
La teoria cellulare
La teoria cellulare afferma che:1. tutti gli organismi consistono di una o più cellule;2. le cellule sono le unità più piccole, le unità base dell’organizzazione di tutti gli organismi.3. Le cellule esistenti si originano solo dalla divisione di cellule preesistenti
Il termine "cellula" (piccola cella) fu coniato dal fisico inglese Robert Hooke nel 1665, osservando al microscopio delle fette sottili di sughero.
Il primo ad aver osservato una cellula viva al microscopio èstato Antoni van Leeuwenhoek, il quale nel 1674 osservò in campioni di sperma di diversi organismi dei “corpi cellulari”filamentosi: spermatozoi.
La singola cellula è il veicolo dell’informazione ereditaria che definisce la specie.
La singola cellula, mediante questa informazione ereditaria, specifica il macchinario necessario a raccogliere materiali grezzi dall’esterno e costruire mediante essi, dopo appropriata elaborazione, una nuova cellula con la stessa informazione ereditaria.
Procarioti
Eucarioti
Eubatteri
Archeobatteri
Protisti
Piante
Funghi
Animali
unicellulari
unicellulari
unicellulari/pluricellulari
pluricellulari
pluricellulari
(pro+karion)= prima del nucleo
Struttura di una cellula procariotica
Le tre principali forme assunte dai procarioti
Cocchi (sferici) Bacilli (a bastoncello)
Spirochete (spiraliformi)
Batteri sulla punta di uno spillo
I procarioti si trovano ovunque e sono numerosissimi
Importanza ecologica dei procarioti
Alcuni procarioti svolgono un ruolo chiave nel ciclo dell’azoto
Alcuni procarioti vivono all’interno o sulla superficie di altri organismi instaurando con questi un rapporto di simbiosi
Alcuni procarioti effettuano la fotosintesi liberando O2 nell’atmosfera
Una piccola minoranza di batteri è patogena
I procarioti sono utilizzati nel campo della ricerca di base e per applicazioni biotecnologiche
Struttura di una cellula eucariotica (animale)
Nucleo e Citoplasma
Struttura di una cellula eucariotica (vegetale)
Nucleo e Citoplasma
Procarioti Vs Eucarioti
Procarioti Eucarioti (animali) Eucarioti (vegetali)
Nucleo X O O
Nucleoide O X X
Parete cellulare O X O
Membrana plasmatica O O O
Capsula O X X
Citoscheletro X O O
Reticolo Endoplasmatico X O O
Apparato del Golgi X O O
Mitocondri X O O
Cloroplasti X X O
Lisosomi X O O
Perossisomi X O O
Ribosomi O O O
Procarioti
Eucarioti
Eubatteri
Archeobatteri
Protisti
Piante
Funghi
Animali
unicellulari
unicellulari
unicellulari/pluricellulari
pluricellulari
pluricellulari
La diversità dei protisti
Eucarioti: pluricellularità
Meglio da soli e grandi o in tanti ma piccoli?
Stesso volume ma superficie 3 volte più grande!
• maggiore interazione e scambi con ambiente esterno;
• maggiore controllo e velocità di reazioni del contenuto interno;
Gli organismi pluricellulari sono composti da miliardi di cellule con funzioni specializzate e che mostrano morfologia, fisiologia, biochimica estremamente differenziate.
Morfologia, fisiologia, biochimica estremamente differenziate……...ma stessa struttura!
I virus
I virus sono delle entità biologiche che possiedono un proprio materiale genetico ma non le attività metaboliche per utilizzarlo autonomamente.
I virus sono parassiti cellulari!
Rivestimento proteico (capside)
Genoma all’interno del capside (RNA)
Involucro membranoso (envelope)
Proteine dell’envelope
Hepatitis C virus (HCV)
• Sono invisibili al microscopio ottico (dimensioni tra i 28 e i 300 nm)
• Rappresentano associazioni quaternarie di DNA o RNA e proteine.
• A differenza di quanto avviene per la cellula, all’interno dei virus non sono mai presenti
sia DNA che RNA.
• Sono in grado di sopravvivere al di fuori della cellula (virioni) ma, in queste condizioni,
non possono replicare né esprimere il loro materiale genetico.
• Dipendono dall’apparato di sintesi proteica della cellula.
• Infettano cellule specifiche (quelle per cui possono avere un recettore appropriato
Caratteristiche principali dei virus
Ciclo vitale di un virus ad RNA
1
2
3
4
5
6
Involucro membranoso
RNA
Rivestimento proteico
Spicole proteiche
Virus dell’influenza HIV
Il batteriofago T4
capside DNA all’interno del capside
codaFibre della coda
Cellula vegetale (20 X 30 µm)
Cellula animale (20 µm)
Batterio (1 X 2 µm)
Dimensioni approssimative delle cellule
1 µm = 10-3 mm = 10-6 m
Uno sguardo alle dimensioni…
Visualizzazione delle cellule
Figure 1-4 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
disegno del 1880 di una cellula vegetale in divisione (Strasburger E.)
Cellula dello stesso tipo visualizzata con un microscopio ottico
Microscopio otticopotere di risoluzione = 0,2µm
Sorgente luminosa
condensatore
obbiettivo
oculare
•Ingrandimento 1000X
Il microscopio ottico consente di visualizzare le cellule e le strutture subcellulari
Molecole specifiche possono essere localizzate nelle
cellule con la microscopia a fluorescenza
Cellula in mitosi osservata al microscopio a fluorescenza
Usando tecniche particolari possiamo anche evidenziare la localizzazione intracellulare di specifiche molecole
Marcatura con anticorpi fluorescenti
La definizione dell’immagine dipende dal potere di risoluzione
Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)
potere di risoluzione = 2nm = 20 Å
Sorgente di elettroni
Condensatore (magnete)
campione
Proiettore (magnete)
Proiettore (lenti)
Ingrandimento 100.000X
Microscopio elettronico a scansione
(SEM )
Sorgente di elettroni
Condensatore (magnete)
Deflettore degli elettroni
Lente
Rilevatore di elettroni
schermo
campione
nel microscopio elettronico a scansione il campione rivestito di un metallo pesante viene esplorato (scansione) da un pennello di elettroni. (Immagini 3D con risoluzione 3-20nM)
Figure 1-30 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
Didinium Didinium che ingloba un paramecium
Tipi cellulari e organismi utilizzati come modelli sperimentali
Il batterio Escherichia Coli
Genoma piccolo: un’unica molecola di DNA di circa 4,6 milioni di coppie di
nucleotidi
Crescita rapida: divisione ogni 20 minuti
Importante per lo studio dei meccanismi che regolano la replicazione del DNA e l’espressione genica
Il lievito Saccharomyces cerevisiae
Genoma relativamente piccolo: 12 milioni di coppie di
nucleotidi organizzati in 16 cromosomi
Crescita relativamente rapida: divisione ogni 2 ore
Presenza della maggior parte degli organelli tipici degli eucarioti
Importante per lo studio dei meccanismi che regolano la divisione cellulare negli eucarioti
Il moscerino della frutta Drosophila melanogaster
Allevato facilmente in laboratorio
Tempo di generazione breve: 2 settimane
Importante per lo studio della relazione tra geni e cromosomi e dei meccanismi che regolano lo sviluppo dall’uovo fecondato all’adulto
Solo 4 coppie di cromosomi (giganti nelle ghiandole salivari)
Elevata produttività: fino a 400 uova in 10 gorni
Il verme nematode Caenorhabditis elegans
Organismo multicellulare relativamente semplice: formato da
esattamente 959 cellule somatiche e 1000/2000 cellule germinali
Allevato facilmente in laboratorio
Importante per lo studio dei meccanismi che regolano la morte cellulare programmata
Il topo è un ottimo sistema modello per studiare lo sviluppo dei mammiferi e le malattie genetiche umane
Il topo come modello per studiare patologie umane
ipomelanosi
Mutazioni in geni omologhi determinano difetti simili in uomo e topo