BIOLOGIA e GENETICA GENERALE

OBIETTIVI FORMATIVI

Al termine del Corso lo Studente dovrà aver acquisito i seguenti

concetti:

-Organizzazione della cellula e degli organismi viventi con

particolare riguardo ai meccanismi di base coinvolti nei

processi di proliferazione cellulare, biogenesi di organelli ,

strutture cellulari e interazione fra le cellule.

-Trasmissione ed espressione dell’informazione genetica a livello

cellulare e molecolare;

Il raggiungimento di tali obiettivi è propedeutico agli altri

insegnamenti degli ambiti disciplinari “Biomedico”

-

Perché un insegnamento di

Biologia e

Genetica generale

nel

Corso di Laurea

in Medicina e Chirurgia??

STOCCOLMA 07 ottobre 2013

Nobel per la medicina agli scopritori

del sistema di trasporto cellulare

Il Nobel 2015 premia la lotta contro le malattie della povertà

Il Premio Nobel 2015 per la Fisiologia e Medicina a William

Campbell e Satoshi Omura per aver scoperto una nuova

terapia contro le infezioni causate da parassiti e a Youyou Tu

per le sua scoperta di una nuova terapia contro la malaria.

Scienza che si occupa delle malattie,

della loro cura e prevenzione

Definizione di Medicina

Scienza che studia le malattie: le loro

cause, i meccanismi con cui si

instaurano, le alterazioni strutturali e

funzionali.

Definizione di Patologia

Livelli di Osservazione della Patologia

Autopsia→ Anatomia patologia – Patologia d’organo (metà 700)

Microscopia ottica → Patologia cellulare (metà 800)

Microscopia elettronica → Patologia ultrastrutturale (anni ‘60)

Analisi delle molecole biologiche - Biochimica patologica

(XX secolo)

Genomica – Epigenetica - Trascrittomica – Proteomica –

Metabolomica – Patologia Molecolare (XX-XXI secolo)

La patologia moderna è un insieme di tutte le scienze di

base. Le sue fonti vanno dall’anatomia alla biologia

cellulare alla biofisica e alle leggi della struttura atomica.

Livelli di osservazione della patologia:

popolazione (epidemiologia);

individui (medicina clinica);

organo (patofisiologia);

tessuti (istopatologia);

cellule;

singoli organelli ;

molecole ;

geni .

Perché è necessario conoscere l’organizzazione ed il funzionamento

della cellula anche a livello molecolare?

Biologia cellulare e molecolare, Genetica

Organismo

Apparato

Tessuto

Organo

Cellula

Molecole

Caratteristiche fondamentali degli

organismi viventi

- Organizzazione cellulare

- Finalismo delle parti

- Metabolismo

- Eccitabilità

- Adattamento

-Informazione

- Riproduzione ed eredità

-Evoluzione

Secondo la definizione dell’OMS il farmaco è una sostanza in grado di

influenzare i processi fisiologici o patologici di un organismo vivente.

I farmaci agiscono secondo quattro meccanismi: -Proprietà chimico-fisiche -Attività a livello recettoriale

-Inibizione dei sistemi enzimatici -Influenza sulla sintesi degli acidi nucleici

* Farmaci biologici si indicano tutti quei farmaci di nuova generazione studiati

per agire soltanto su una singola struttura (che può essere una proteina, un recettore o

anche una sequenza di DNA) aumentando l'efficacia della terapia e riducendo, nel

contempo, gli effetti indesiderati.

* Influenza dei farmaci sugli acidi nucleici I farmaci possono avere una influenza sia in senso positivo che negativo sulla sintesi di

Rna messaggero o sull\'attivazione di introni a livello del DNA cellulare,come ad esempio

gli ormoni steroidei o gli ormoni tiroidei.

Anche per una corretta terapia è necessario conoscere

l’organizzazione ed il

funzionamento della cellula anche a livello molecolare

Livello

cellulare e

molecolare

LA BIOLOGIA E' UNA SCIENZA SPERIMENTALE

•TEORIA CELLULARE 1839

1. tutti gli organismi sono composti da una o più cellule

2. le cellule sono viventi e costituiscono l'unità

fondamentale

di funzione e di organizzazione di tutti gli organismi

3. tutte le cellule derivano da altre cellule

•SCOPERTA DELLE LEGGI CHE REGOLANO LA

TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI 1865

•TEORIA DELL'EVOLUZIONE 1859

•SINTESI IN LABORATORIO DEI PRIMI

COMPOSTI ORGANICI 1953

LA CELLULA E' L'UNITA' STRUTTURALE E FUNZIONALE DELLA MATERIA VIVENTE

nella sua forma minima è costituita da una soluzione acquosa, detta citoplasma delimitata da una sottilissima membrana e contenente almeno una molecola di DNA e tutto il materiale e il corredo di enzimi necessari alla sua moltiplicazione.

TUTTI GLI ORGANISMI SONO COSTITUITI DA UNA O PIU' CELLULE

OGNI CELLULA DERIVA DALLA DIVISIONE DI UNA CELLULA PREESISTENTE

TUTTE LE CELLULE SI DIVIDONO PER DIVISIONE BINARIA

CIASCUNA CELLULA PUO' SVOLGERE VITA AUTONOMA BATTERI, AMEBE 1 cellula UOMO ADULTO >10

14 cellule

OGNI CELLULA DEVE CONTENERE UN PROGRAMMA INFORMAZIONALE

Organismi viventi come strutture gerarchiche complesse

articolate a più livelli

Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula preesistente

Mitosi

Meiosi Scissione binaria

CELLULA PROCARIOTICA

(Batteri)

Forma: diversa a seconda dei casi:

sferica ---> cocchi

a bastoncino---> bacilli

a spirale ---> spirilli, spirochete

Struttura: molto semplice:

parete cellulare

membrana plasmatica

citoplasma

struttura omogenea con numerosi ribosomi

una singola molecola di DNA circolare

nessuna compartimentalizzazione interna

appendici cellulari

flagelli (per il movimento) e pili

(per aderire le une alle

altre o a superfici esterne)

LE CELLULE PROCARIOTICHE

FORMANO ESCLUSIVAMENTE

ORGANISMI MONOCELLULARI

(PROCARIOTI)

CELLULA EUCARIOTICA ANIMALE

Forma: diversa a seconda dei casi:

Struttura: molto complessa:

membrana plasmatica

citoplasma molto strutturato:

citosol, struttura amorfa

citoscheletro, l'impalcatura delle cellule

mitocondri

ribosomi

reticolo endoplasmico

apparato di Golgi

lisosomi

perossisomi

vacuoli di vario tipo

nucleo delimitato da una duplice membrana

DNA, (cromosomi) Proteine e apparato

enzimatico

LE CELLULE EUCARIOTICHE FORMANO

SIA ORGANISMI MONOCELLULARI (Lieviti)

CHE PLURICELLULARI

Esistono due modelli di organizzazione cellulare

Cellula Procariotica Cellula Eucariotica

Ed i virus?????

Che cosa sono i virus?

• Il termine "Virus" deriva dal latino, e significa “veleno”

• I virus sono entità biologiche subcellulari totalmente dipendenti da una cellula vivente per la replicazione: PARASSITI ENDOCELLULARI OBBLIGATI

• La loro struttura di base è costituita essenzialmente da un acido nucleico (DNA o RNA) racchiuso in un rivestimento di natura proteica (CAPSIDE)

• Alcuni possiedono propri enzimi complessi ma, senza assistenza, non sono capaci di riprodurre le informazioni contenute nei loro genomi

• Spettro d’ospite: micoplasmi, alghe, batteri, piante e animali superiori

Componenti di un virus (1)

1. Genoma

1. Acido nucleico (DNA o RNA)

2. Capside

1. Rivestimento proteico

2. Costituito da subunità proteiche

Genoma+capside = nucleocapside

3. Envelope

• Doppio strato fosfolipidico

• I virus con envelope sono

comuni nel mondo animale,

ma si conoscono anche virus

batterici dotati di envelope

VIRUS privi di envelope

vengono anche definiti

VIRUS NUDI

Componenti di un virus (2)

Gli organismi viventi sono in grado di

ricevere stimoli dall’esterno e

rispondervi producendo mutamenti del

proprio stato e/o delle proprie attività;

ciò permette di mantenere invariate nel

tempo le caratteristiche strutturali e di

svolgere in modo ottimale le

corrispondenti funzioni.

L'ORGANIZZAZIONE CELLULARE PERMETTE IL MANTENIMENTO

DI UN AMBIENTE INTERNO COSTANTE E CONTROLLATO

Per permettere che avvengano scambi in modo adeguato con

l’ambiente esterno, l’area della superficie di una cellula deve

essere molto più grande del volume della cellula stessa. Le cellule hanno dimensioni così piccole che è possibile vederle solo

attraverso il microscopio. La ragione di queste dimensioni si basa

sull’importante principio fisico “rapporto superficie/ volume”. la

cellula vive in dipendenza dallo scambio di alcuni materiali con

l’ambiente esterno, e ciò avviene mediante la membrana che ricopre la

superficie della cellula. Se si aumentasse il volume della cellula, si

aumenterebbe anche la quantità dei materiali da trasportare. Ma il

volume aumenta molto più rapidamente della superficie, e il punto

cruciale che impone i limiti delle dimensioni rappresenta appunto il

rapporto tra la superficie e il volume della cellula. Inoltre, una cellula

molto grande scambierebbe i materiali troppo lentamente per riuscire

a vivere.

Quindi animali di grandi dimensioni sono costituiti da molte piccole

cellule e non da meno cellule grandi.

Importanza del rapporto superficie volume

Perché le cellule devono essere di piccole dimensioni

> superficie

> volume

Rapporto superficie-volume per cellule sferiche di vario diametro Il volume di una cellula aumenta con il cubo del diametro, mentre la sua superficie aumenta solo del quadrato. Diametro Superficie Volume Sup/Vol mm mm 2 mm3

1 0,785 0.52 1.5 2 3.14 4.18 0.75 6 28.3 113 0.25 20 3.14X102 4.2X103 0.07 200 3.14X104 4.2X106 0.007

ORGANISMI PLURICELLULARI Formati da poche unità fino a svariati miliardi di cellule Divisione del lavoro Specializzazioni Differenziamento Cellulare ORGANISMI PLURICELLULARI: ACCRESCIMENTO E MOLTIPLICAZIONE DELLE CELLULE E MOLTIPLICAZIONE DELL'ORGANISMO SONO FENOMENI INDIPENDENTI L'accrescimento avviene soprattutto per aumento del numero delle cellule che costituiscono l'organismo La moltiplicazione dell'organismo avviene con meccanismi diversi: La Riproduzione sessuata è il meccanismo più evoluto.

•Le cellule eucariotiche si sono evolute da cellule procariotiche ancestrali.

•Le cellule eucariotiche si sono quindi organizzate in organismi multicellulari, le cui singole cellule si sono specializzate in particolari funzioni.

Composizione chimica della Crosta terrestre Composizione chimica della cellula

elemento % elemento %

O 47 H 63

Si 28 O 25,5

Al 7,9 C 9,5

Fe 4,5 N 1,4

Ca 3,5 Ca <1

Na 2,5 Na <1

K 2,5 K <1

Mg 2,2 P <1

H 0,22 Cl <1

C 0,19 Mg <0,01

N <0,001 Si <0,001

P <0,001 Al <0,001

Cl <0,001 Fe <0,001

GLI ELEMENTI PRESENTI NELLA MATERIA VIVENTE SONO QUELLI CAPACI DI

FORMARE I PIU' FORTI LEGAMI COVALENTI

PERTANTO I COMPOSTI BIOLOGICI SONO STABILI

Il legame chimico è l’interazione fra due atomi che porta ad

uno stato di minima energia

Il legame chimico è la forza risultante fra le forze attrattive (e-

- nucleo) e repulsive (nucleo – nucleo) ed (e- - e- )

Le molecole organiche

sono quelle presenti negli

organismi viventi e da essi

sintetizzate;

quelle inorganiche sono presenti

nel mondo non vivente. Tuttavia

questa distinzione non può essere

così netta, infatti nei viventi

troviamo anche una molteplicità

di sostanze inorganiche ( si pensi

all’acqua e i Sali minerali degli

scheletri) e,d’altra parte, fuori

dalla

materia vivente possiamo ritrovare

sostanze organiche ( lo zucchero

che usiamo normalmente). Si può

dire allora che la caratteristica

distintiva fondamentale è il fatto

che una molecola organica può

essere costruita solo da un sistema

biologico, usando sostanze

inorganiche reperite in natura.

Carbonio

Tutti i composti chimici che costituiscono la materia vivente sono costituiti da carbonio combinato con altri atomi. Il carbonio può formare legami covalenti forti Questi legami possono essere: semplici doppi tripli Grande varietà di CATENE o SCHELETRI, lineari, ramificati o ad anello

MONDO INORGANICO: IL CARBONIO E'

PRESENTE ALLO STATO OSSIDATO (CONTENUTO

ENERGETICO MINORE E QUINDI PIU' STABILE)

MONDO ORGANICO: IL CARBONIO E' PRESENTE

ALLO STATO RIDOTTO (CONTENUTO ENERGETICO

MAGGIORE E QUINDI MENO STABILE)

PER FORMARE COMPOSTI ORGANICI A PARTIRE DA

CARBONIO INORGANICO E' PERCIO' NECESSARIA

ENERGIA CHE LA MATERIA VIVENTE DEVE

PRELEVARE DALL'AMBIENTE

Ciclo del Carbonio, ovvero il ciclo dell’energia nei sistemi viventi

La natura gerarchica delle strutture cellulari ed il loro assemblaggio

Le molecole organiche si possono aggregare per dare origini a

complessi sovra molecolari

L’aggregazione di molecole organiche avviene per condensazione e conseguente

eliminazione di una molecola d’acqua. Tale reazione porta alla formazione di polimeri

La reazione inversa avviene con l’aggiunta di una molecola di acqua

POLIMERI INFORMAZIONALI E NON

INFORMAZIONALI

MONOMERO LEGAME POLIMERO

-Monosaccaride glicosidico polisaccaride

--amminocidi peptidico proteine

-nucleotidi fosfodiesterico acidi nucleici

•E’ IL PRINCIPALE COSTITUENTE DELLA MATERIA VIVENTE; •E’ IL SOLVENTE NEL QUALE SONO SCIOLTI TUTTI I COMPOSTI BIOLOGICI; •E’ L’AMBIENTE NEL QUALE HA AVUTO ORIGINE LA VITA E DOVE E’ AVVENUTA LA MAGGIOR PARTE DEL PROCESSO EVOLUTIVO; LA MATERIA VIVENTE E’ STATA IN UN CERTO SENSO “PLASMATA” SULLE PROPRIETA’ DELL’ACQUA L’ACQUA E’ UN SOLVENTE POLARE

IMPORTANZA BIOLOGICA DELL’ACQUA

Gli ioni in soluzione acquosa sono circondati da molecole d’acqua

LE MOLECOLE CONSERVANO LA LORO INDIVIDUALITA' LE INTERAZIONI TRA MOLECOLE SONO REVERSIBILI NELLE INTERAZIONI TRA MOLECOLE NON POSSONO ESSERE COINVOLTI LEGAMI COVALENTI LE INTERAZIONI DEVONO QUINDI ESSERE STABILIZZATE DA LEGAMI DEBOLI: - LEGAMI A IDROGENO - ATTRAZIONI ELETTROSTATICHE - FORZE DI VAN DER WAALS

INTERAZIONI TRA MOLECOLE

IMPORTANZA DELLE SUPERFICI COMPLEMENTARI Affinchè due molecole riescano ad interagire stabilmente, attraverso legami deboli, è necessario che molti di essi COOPERINO simultaneamente al fenomeno. Ciò si realizza solo se le superfici delle molecole COMBACIANO per una estensione sufficiente e presentano le caratteristiche necessarie alla formazione di molti legami secondari. COMPLEMENTARIETA': -Geometria -Carica -Accettori/Donatori di Legami H

-Regioni Polari/Apolari

Molti legami non-covalenti conferiscono specificità di legame