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Corso di Laurea “Scienze Infermieristiche”

AA 2016/2017

Prof. Amedeo Amedei

aamedei@unifi.it

tel. 055 2758330

orario ricevimento o: su appuntamento

Dipartimento di Medicina Sperimentale e Clinica

Viale Pieraccini 06, 50134, Firenze

Corso di Biologia Applicata

Web.http://www.amedeoamedei.com

https://www.facebook.com/Immuno - News - by yy- -Amedeo - -Amedei - -130556100738917 /

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Obiettivi

Formativi

Comprensione del concetto di mondo organico, caratteristiche e classificazioni degli esseri

viventi.

Descrizione delle caratteristiche generali della cellula.

Descrizioni degli acidi nucleici e delle loro caratteristiche strutturali e funzionali.

Descrizione delle modalità di riproduzione delle cellule procariotiche, eucariotiche e dei virus.

Contenuti

Caratteristiche ed evoluzione del mondo vivente. Il

flusso dell’informazione: dal DNA alle proteine.

Flusso di energia attraverso gli organismi viventi.

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Programma del corso di BIOLOGIA APPLICATA

Programma

Esteso

Il mondo vivente. I procarioti. Gli eucarioti. Definizione e caratteristiche generali delle cellule. Caratteristiche degli

organismi viventi. Teoria cellulare. Concetto di evoluzione. Livelli di organizzazione nel mondo vivente. Principi di

classificazione degli organismi viventi. Cellula procariotica: struttura e caratteristiche. Parete batterica. Confronto con la

cellula eucariotica. Organismi autotrofi ed eterotrofi. Organismi aerobi ed anaerobi.

Struttura e funzione delle membrane biologiche. Modello di membrana cellulare a mosaico fluido costituito da lipidi e

proteine. Il trasporto attraverso la membrana: la diffusione semplice e il trasporto mediato. Trasporto passivo e trasporto

attivo primario e secondario.

Virus. Struttura e classificazione in base alla geometria del capside, al tipo di acido nucleico, al tipo di cellula infettata.

Modalità di infezione in una cellula procariotica ed in una eucariotica. Retrovirus.

Le basi molecolari dell’ereditarietà. Il DNA costituisce il materiale genetico. Struttura del DNA: la doppia elica di

Watson e Crick, proprietà chimico-fisiche. Valore genico del DNA. I processi di replicazione e riparazione del DNA. La

replicazione semiconservativa del DNA (esperimento di Meselson e Stahl). Il meccanismo di duplicazione del DNA nei

procarioti e negli eucarioti è il risultato della cooperazione di numerose proteine. Il flusso dell’informazione genetica: I

geni specificano le proteine mediante la trascrizione e la traduzione. La trascrizione è la sintesi dell’RNA dettata dal DNA.

I vari tipi di RNA (RNA messaggero, RNA ribosomiale e RNA transfer). Il processo di trascrizione e l’RNA polimerasi.

I siti promotori. Inizio, allungamento e termine della catena di RNA. Processamento dell’RNA messaggero degli eucarioti.

Maturazione dei trascritti primari degli RNA ribosomiali, dei tRNA e degli mRNA. Il meccanismo dello “splicing” nella

maturazione dei trascrittiprimari.

Codice genetico e sue proprietà. Caratteristiche generali e le implicazioni biologiche del codice genetico. La traduzione

è la sintesi di un polipeptide dettata dall’RNA. Attivazione degli aminoacidi e ruolo dell’aminoacil-tRNA sintetasi.

Struttura dell’RNA transfer. I ribosomi dei procarioti e degli eucarioti: struttura e ruolo nella sintesi proteica. Il processo

della traduzione: Inizio, allungamento e termine. Cenni sulle modificazioni post-traduzionali delle proteine.

Ciclo cellulare: definizione e significato delle diverse fasi. Mitosi e meiosi.

Biotecnologie. La tecnologia del DNA ricombinante. Il clonaggio del DNA e sue applicazioni. Amplificazione del

DNA in vitro: PCR. 4

1 Introduzione al corso, Virus

2 Cellule procariotiche

3 Cellule eucariotiche Membrane biologiche

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4 Acidi nucleici, Duplicazione del DNA

5 Trascrizione-traduzione Codice genetico

6 Ciclo cellulare, Mitosi e Meiosi

7 Prova in itinere ?

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BIOLOGIA: scienza che studia gli organismi viventi ed i loro

rapporti con l’ambiente che li circonda

CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DELLA MATERIA VIVENTE

• Complessità specificatamente definita

• Capacità di accrescimento

• Capacità di autoriprodursi

• Adattamento all’ambiente (concetto di evoluzione)

Approccio RIDUZIONISTICO e OLISTICO allo studio della complessità del mondo biologico

CONCETTO DI PROPRIETA’ EMERGENTI

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caratteristiche nuove che derivano dall’interazione delle varie

parti del sistema

Evoluzione Philosophie zoologique (1809)

A partire da un PROGENITORE COMUNE nel corso dei

millenni le necessità imposte dall’ambiente hanno portato

all’estrema specializzazione dei giorni nostri

LAMARCK(1744-1829) l’ambiente induce negli organismi delle

Philosophie zoologique modificazioni che vengono trasmesse alle

(1809) generazioni successive

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DARWIN nel corso delle generazioni si verificano casualmente (1809-1892) delle

modificazioni dell’informazione genetica che rendono gli organismi più o meno

avvantaggiati

L'origine delle specie (1859)

Concetto di SELEZIONE NATURALE esercitata dall’AMBIENTE

sulla VARIABILITA’ generata dalle MUTAZIONI

1859 “L’origine delle specie attraverso la selezione naturale”

TEORIA CELLULARE

La cellula è l’unità fondamentale della materia vivente e ne possiede tutte

le proprietà fondamentali

1. TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI SONO COSTITUITI DA CELLULE

2. LE CELLULE SONO LE UNITA’ FONDAMENTALI DEGLI ORGANISMI

3. LE CELLULE SI ORIGINANO SOLO DALLA DIVISIONE DI CELLULE

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PRE-ESISTENTI

MATTHIAS SCHLEIDEN 1838

THEODORE SCHWANN 1839

Scoperta del microscopio ottico:

Robert Hooke 1665

1855 RUDOLPH VIRCHOW (3° enunciato)

“Una cellula è costituita da una porzione di materia (citoplasma) delimitata da

una membrana e contenente una molecola (DNA o acido deossiribonucleico)

nella quale è contenuta l’informazione genetica necessaria per la sua

sopravvivenza”

1. Monera (Batteri)

2. Protista (Protozoi, alghe e muffe)

REGNI 3. Plantae (Piante)

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4. Fungi (Funghi e lieviti)

5. Animalia (Animali)

Primi organismi

eubatteri

archeobatteri batteri cianobatteri eucarioti

Robert Whittaker

1969

Monera Protista Plantae Fungi Animalia

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Woese 1977

cellula primordiale

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I sistemi biologici hanno una gerarchia di organizzazione

Livelli di organizzazione

CHIMICO

CELLULA

TESSUTO

ORGANO

SISTEMA

ORGANISMO

POPOLAZIONE

COMUNITA’

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ECOSISTEMA

Per lo studio delle 1,8 MILIONI di SPECIE di organismi fino ad oggi identificate è

necessario classificarle

SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE:

SISTEMATICA è il campo della biologia che studia le diversità e le

correlazioni evolutive degli organismi

TASSONOMIA è la scienza che studia la nomenclatura e la

classificazione degli organismi

Sistema di LINNEO di nomenclatura binomiale (XVIII sec.)

es. Canis familiaris Canis lupus

La classificazione tassonomica è gerarchica

SPECIE Per SPECIE si intende un gruppo di organismi

GENERI con struttura, funzione, comportamento simili

FAMIGLIE che si incrociano solo fra loro

ORDINI

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CLASSI

PHYLA

REGNI

Organismi viventi sono raggruppati in 3 Domini: DOMINI

ARCHEA, EUBACTERIA, EUCARYA

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Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright

2005

limite di risoluzione

dell’occhio umano

limite di risoluzione del

microscopio ottico

limite di risoluzione del

microscopio elettronico

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μ m = 10 - -6 m

nm = 10 - -9 m

Å = 10 - -10 m

Robert Hooke 1665

Cellula vegetale

(20 x 30 μ m)

Batterio

(1 x 2 μ m)

Cellula animale

(10 - 20 μ m)

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DIMENSIONI CELLULARI

Unità di misura idonea è μm (micrometro) che corrisponde a 10-6 m

Parametro critico per le dimensioni è il rapporto SUPERFICIE/VOLUME

100 μm 100 μm

~ 120.000 μm2 ~ 60.000 μm2

Dimensione e forma dipendono dalla funzione

es. cellula nervosa spermatozoo cellule muscolari eritrociti

100 μ m

50 μ m

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Le variazioni di forma rappresentano una strategia per aumentare

tale rapporto. Es. microvilli delle cellule epiteliali con i quali

aumentano l’area superficiale di assorbimento

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Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright

2005

FONDAMENTI METODOLOGICI DELLA BIOLOGIA CELLULARE

Procedimenti operativi per la costruzione della conoscenza scientifica

Induttivo: dal particolare al generale

Deduttivo: parte dall’enunciato della legge e tende a verificarne

l’attendibiità

Si basano su due attività tipiche della ricerca scientifica:

OSSERVAZIONE ED ESPERIMENTO

Metodi DISTRUTTIVI: cercano di conoscere la composizione

molecolare delle cellule utilizzando tecniche biochimiche analitiche

Metodi CONSERVATIVI: studiano la morfologia e l’organizzazione dei

tessuti salvaguardandone l’integrità delle cellule es.

tecniche di microscopia e di coltura in vitro

Fissazione: devitalizzazione senza introdurre artefatti

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Inclusione: permette la riduzione in fettine

Colorazione: veri e propri coloranti per l’ottico, soluzioni di metalli pesanti per l’elettronico

Coefficienti di sedimentazione di alcuni organelli cellulari, macromolecole e virus

Il coefficiente di sedimentazione espresso in unità Svedberg (S) indica la velocità con cui la

particella sedimenta quando è sottoposta ad una forza centrifuga

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Frazionamento di strutture cellulari

tramite sedimentazione

Metodi DISTRUTTIVI

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Metodi CONSERVATIVI

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microscopio ottico microscopio elettronico

Potere risolutivo:

capacità di distinguere due

punti molto vicini fra loro

lunghezza d’onda

LR = 0,61 λ / n senα

Limite indice di

centro di angolo al

rifrazione del cono di luce

risoluzione che entra

nell’obiettivo

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λ = 400-700 nm λ = 0.1-0.2 nm

LR = 0,2 μm LR = 0,7 nm

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Microscopio Elettronico a Trasmissione TEM

d = 0,7 nm

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In un TEM, gli elettroni che costituiscono il fascio attraversano una sezione dove è stato creato precedentemente il

vuoto, per poi passare completamente attraverso il campione. Questo, dunque, deve avere uno spessore

estremamente ridotto, compreso tra 50 e 500 nm. Il potere di risoluzione (la minima distanza fra due punti per la

quale si possono distinguere come tali e non come uno solo) è di circa 0,2 nm, cioè circa 500.000 volte maggiore

di quello dell'occhio umano. Questo tipo di microscopio è fornito, lungo l'asse elettro ottico, di complessi sistemi

che utilizzando la modificazione di campi elettrici e magnetici, i quali sono in grado di pilotare gli elettroni

attraverso "lenti" magnetiche necessarie ad allargare considerevolmente il fascio di elettroni già passati attraverso

il campione per far sì che l'immagine risulti ingrandita. Il campione consiste in sezioni, come si è detto, molto sottili,

appoggiate su di un piccolo dischetto in rame o nichel (del diametro di pochi millimetri) fenestrato di solito a rete

("retino") in modo che la sezione possa essere osservata tra le sue maglie senza interposizione di vetro (a

differenza di quello che avviene nel microscopio ottico) che non sarebbe attraversato dagli elettroni. Questi ultimi

infatti non possono attraversare materiali spessi. Il fascio di elettroni colpisce uno schermo fluorescente (sensibile

agli stessi) proiettando su di esso un'immagine reale e fortemente ingrandita della porzione di campione

precedentemente attraversata. Questo microscopio fornisce le immagini in bianco e nero, però molte volte si

trovano immagini ottenute dallo stesso che sono state successivamente elaborate digitalmente migliorando

l'immagine.

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Microscopio Elettronico

a Scansione SEM

d = 5 - 10 nm

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Il microscopio non sfrutta la luce come sorgente di radiazioni ma un fascio di elettroni che colpiscono il campione.

Dal campione vengono emesse numerose particelle fra le quali gli elettroni secondari. Questi elettroni vengono

rilevati da uno speciale rivelatore e convertiti in impulsi elettrici. Il fascio non è fisso ma viene fatto scandire: viene

cioè fatto passare sul campione in una zona rettangolare, riga per riga, in sequenza. Il segnale degli elettroni

secondari viene mandato ad uno schermo (un monitor) dove viene eseguita una scansione analoga. Il risultato è

un'immagine in bianco e nero che ha caratteristiche simili a quelle di una normale immagine fotografica. Per

questa ragione le immagini SEM sono immediatamente intelligibili ed intuitive da comprendere.

Sangue Polline

Formica Moscerino

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Metodi CONSERVATIVI

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VIRUS

Parassiti endocellulari obbligati di

Procarioti: batteriofagi

ed Eucarioti

Virus

Genoma a DNA (dsDNA, ssDNA)

o RNA (dsRNA, ssRNA)

Virus con involucro fosfolipidico

( influenza, herpes, HIV VV)

che deriva dalla membrana della

cellula ospite

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I virus : entità biologiche con caratteristiche di parassita obbligato.

organismo vivente o struttura subcellulare ? Anello di congiunzione tra composto chimico e

organismo vivente.

La singola particella virale viene denominata virione.

Possono essere responsabili di malattie in organismi appartenenti a tutti i regni biologici:

attaccano batteri (i batteriofagi), funghi, piante e animali, compreso l'uomo.

Circa 100 volte più piccoli di una cellula e consistono di alcune strutture fondamentali:

1) Un piccolo genoma costituito da DNA o RNA (Tutti)

2) All'esterno della cellula ospite, una copertura proteica (capside) che protegge questi geni

(Tutti)

3) Ulteriore rivestimento che si chiama pericapside, di natura lipoproteica (Alcuni)

4) Strutture molecolari specializzate ad iniettare il genoma virale nella cellula ospite (Alcuni)

Comportamento parassita = per la loro replicazione non dispongono di tutte le strutture

biochimiche e biosintetiche necessarie, che vengono reperite nella cellula ospite.

La riproduzione del virus spesso procede fino alla morte della cellula ospite, da cui poi dipartono

le copie del virus formatesi.

Struttura :

Capside: formato da subunità identiche di proteina o capsomeri. I virus possono avere un

rivestimento lipidico derivante dalla membrana cellulare della cellula ospitante. La forma del

capside può servire come base per la distinzione morfologica. Proteine associate con acidi

nucleici sono noti come nucleoproteine e l'associazione di proteine del capside virale con

acido nucleico virale è chiamato nucleocapside.

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Quattro fondamentali tipi morfologici di virus: Elicoidali, Poliedrici, Dotati di rivestimento e

Complessi (batteriofagi)

Specie

specifici

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Tipi di VIRUS

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I virus infettano solo uno specifico tipo cellulare

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Esempi di Virus

15 nm 90 nm

25 nm

subunità proteica del capside

proteina del core

RNA virale

proteine virali incorporate

nell’involucro

involucro lipidico

HIV virus

Batteriofago T4

Capside

Colletto

Basamento

Fibre della coda

BatteVirus del mosaico del tabacco

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Strategia generale riproduttiva

1.RICONOSCIMENTO DELL’OSPITE

2.INFEZIONE

3.SINTESI DELLE MACROMOLECOLE VIRALI

4.ASSEMBLAGGIO E LIBERAZIONE DI

NUOVI VIRIONI

Batteriofagi

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Fagi virulenti : fago della serie T pari che

infetta E. coli Ciclo vitale

ricombinazione e

lisogenia

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Fagi temperati : fago λ che infetta E. coli (UV, mitomicina D,

Fluorodeossiuridina)

Geni precoci:

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-replicazione DNA virale -blocco

funzioni cellulari batteriche

Geni tardivi: -codificano per

proteine capside e lisozima

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RETROVIRUS

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(a RNA a singola elica)

Trascrittasi inversa eccezione del DOGMA

CENTRALE

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DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

RNA

DNA

Trascrizione

Replicazione

Traduzione

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PROTEINE

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Virus dell’Influenza

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HIV (Human

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Immunodeficiency Virus)

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L'ebola è un virus ad RNA appartenente alla famiglia Filoviridae estremamente aggressivo per

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l'uomo, che causa una febbre emorragica. Il primo ceppo di tale virus fu scoperto nel 1976,

nella Repubblica Democratica del Congo (ex Zaire). Finora sono stati isolati quattro ceppi del

virus, di cui tre letali per l'uomo.

Gli hantavirus sono virus a RNA della famiglia delle Bunyaviridae, causa di zoonosi.

Gli esseri umani possono essere infettati da hantavirus attraverso il contatto con l'urina, la saliva o e le feci

dei roditori. Alcuni hantavirus possono causare malattie potenzialmente mortali nell'uomo, come la febbre

emorragica con sindrome renale (HFRS) e la sindrome polmonare da hantavirus (HPS). Il nome hantavirus

deriva dal fiume Hantan in Sud Corea, isolato alla fine del 1970 da Ho-Wang Lee e coll. che ha studiato per

primo il gruppo degli Hantaan virus (HTNV). [Questo è uno degli hantavirus che causano maggiormente

HFRS, esso era precedentemente conosciuto come febbre emorragica coreana.