Prof. Carmine Mancone

carmine.mancone@uniroma1.it

Corso Integrato di Biologia e Genetica

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