Corso di laurea in Scienze

Infermieristiche

AA 2017-2018

Prof. Amedeo AmedeiDepartment of Experimental and Clinical Medicine (University of Florence)

Viale Pieraccini, 06 50134 Florence (Italy)

Scientific Council Member of Toscana Life Sciences(http://www.toscanalifesciences.org/it/)

Phone: +39 055 2758330; Skype: Amedeoi

E-mail: aamedei@unifi.it

Web. www.amedeoamedei.com

https://www.linkedin.com/in/amedeo-amedei-32a7733a?trk=nav_responsive_tab_profile_pic

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

Biologia Applicata

1

2

StaffDr. E. Niccolai

Dr. F. Ricci

Dr. E. Russo

Dr. G. Nannini

3

BIOLOGIA:

• Complessità specificatamente definita

• Capacità di accrescimento

• Capacità di autoriprodursi

• Adattamento all’ambiente (concetto di evoluzione)

scienza che studia gli organismi viventi ed i loro

rapporti con l’ambiente che li circonda

CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DELLA

MATERIA VIVENTE

Approccio RIDUZIONISTICO e OLISTICO allo studio della

complessità del mondo biologico

CONCETTO DI PROPRIETA’ EMERGENTI

caratteristiche nuove che derivano dall’interazione delle varie

parti del sistema4

EvoluzionePhilosophie 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

modificazioni che vengono trasmesse alle

generazioni successive

nel corso delle generazioni si verificano casualmente

delle modificazioni dell’informazione genetica che

rendono gli organismi più o meno avvantaggiati

DARWIN

(1809-1892)

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”

Philosophie zoologique

(1809)

5

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

PRE-ESISTENTI

Scoperta del microscopio ottico:

Robert Hooke 1665

MATTHIAS SCHLEIDEN 1838

THEODORE SCHWANN 1839

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” 6

REGNI

1. Monera (Batteri)

2. Protista (Protozoi, alghe e muffe)

3. Plantae (Piante)

4. Fungi (Funghi e lieviti)

5. Animalia (Animali)

Robert Whittaker

1969

Monera Protista Plantae Fungi Animalia

Primi organismi 7

cellula primordiale

eubatteri

batteri cianobatteri eucariotiarcheobatteri

Woese 1977 8

I sistemi biologici hanno una gerarchia di organizzazione

Livelli di organizzazione

CHIMICO

CELLULA

TESSUTO

ORGANO

SISTEMA

ORGANISMO

POPOLAZIONE

COMUNITA’

ECOSISTEMA 9

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

GENERI

FAMIGLIE

ORDINI

CLASSI

PHYLA

REGNI

DOMINI

Per SPECIE si intende un gruppo di organismi con struttura, funzione, comportamento simili che si incrociano solo fra loro

Organismi viventi sono raggruppati in 3 Domini:

ARCHEA, EUBACTERIA, EUCARYA 10

11

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 200512

limite di risoluzione

dell’occhio umano

limite di risoluzione del

microscopio ottico

limite di risoluzione del

microscopio elettronico

CE

LL

UL

E

OR

GA

NU

LI

MO

LE

CO

LE

AT

OM

I

μm = 10-6 m

nm = 10-9 m

Å = 10-10 m

Robert Hooke 1665

Cellula vegetale

(20 x 30 μm)

Batterio

(1 x 2 μm)

Cellula animale

(10-20 μm)

13

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 μm100 μm

50 μm

~ 120.000 μm2 ~ 60.000 μm2

Dimensione e forma dipendono dalla funzionees. cellula nervosa spermatozoo cellule muscolari eritrociti

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 14

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 200515

FONDAMENTI METODOLOGICI DELLA BIOLOGIA CELLULARE

Procedimenti operativi per la costruzione della conoscenza scientifica

dal particolare al generale

parte dall’enunciato della legge e tende a verificarne

l’attendibiità

Induttivo:

Deduttivo:

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

Inclusione: permette la riduzione in fettine

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

l’elettronico16

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

17

Frazionamento di strutture cellulari

tramite sedimentazione

Metodi DISTRUTTIVI

18

19

Metodi CONSERVATIVI

20

Potere risolutivo:

capacità di distinguere due

punti molto vicini fra loro

LR = 0,61 λ / n senα

lunghezza

d’onda

indice di

rifrazione

angolo al centro

del cono di luce

che entra

nell’obiettivo

λ = 400-700 nm λ = 0.1-0.2 nm

LR = 0,2 μm LR = 0,7 nm

microscopio ottico microscopio elettronico

Limite

di

risoluzione

21

Microscopio Elettronico

a Trasmissione TEM

d = 0,7 nm

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.

22

Microscopio Elettronico

a Scansione SEM

d = 5-10 nm

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.

23

Sangue Polline

Formica Moscerino

24

Metodi CONSERVATIVI

25

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)

che deriva dalla membrana della

cellula ospite26

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.

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

Complessi (batteriofagi)

27

Tipi di VIRUS

Specie

specificiI virus infettano solo

uno specifico tipo

cellulare

28

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

Virus del mosaico del tabacco

29

Strategia generale riproduttiva

1.RICONOSCIMENTO DELL’OSPITE

2.INFEZIONE

3.SINTESI DELLE MACROMOLECOLE VIRALI

4.ASSEMBLAGGIO E LIBERAZIONE DI

NUOVI VIRIONI

30

Batteriofagi

Ciclo vitale

Fagi temperati : fago λ

che infetta E. coli

ricombinazione e

lisogenia

(UV, mitomicina D,

Fluorodeossiuridina)

Fagi virulenti : fago della serie T pari

che infetta E. coli

31

32

Geni precoci:

-replicazione DNA virale

-blocco funzioni cellulari

batteriche

Geni tardivi:

-codificano per proteine capside

e lisozima

33

RETROVIRUS(a RNA a singola elica)

Trascrittasi inversa

eccezione del DOGMA

CENTRALE

34

DNA

RNA

PROTEINE

Trascrizione

Traduzione

DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

Replicazione

35

Virus

dell’Influenza

36

HIV (Human

Immunodeficiency

Virus)

37

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

estremamente aggressivo per 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.

38