BIOLOGIA UMANA. Elena Barbieri CFU 6. Prof. Programma:

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1 BIOLOGIA UMANA CFU 6 Prof. Programma: Elena Barbieri elena.barbieri@uniurb.it 1. La cellula 1.1. Cellula procariotica, eucariotica, i virus ed i prioni 1.2. Costituenti inorganici ed organici; Struttura e funzione delle biomolecole 1.3. Struttura e funzione della membrana plasmatica e meccanismi di trasporto 1.4. Struttura e funzione degli organuli cellulari: nucleo, reticolo endoplasmatico, mitocondri, complesso di Golgi, lisosomi, perossiosomi 1.5. Cellula muscolare e tipologie di fibre 1.6. Respirazione cellulare 1.7. Nuove evidenze sui mitocondri nella cellula muscolare 1.9. Workshop in inglese : Mitochondrial plasticity in skeletal muscle cells 2. Genetica 2.1 Genoma umano: nucleare e mitocondriale 2.2. I cromosomi. Ciclo cellulare: mitosi e meiosi 2.3. Differenziamento cellulare e riproduzione 2.4. La genetica mendeliana: legge della segregazione e assortimento indipendente 2.5. Eredità multifattoriale 2.6. Privilegio genetico e predisposizioni sportive 2.7. Flusso dell informazione: DNA, RNA e proteine 1

2 Elementi di biologia e genetica Sadava D., Zanichelli editore, terza edizione italiana 2009 BIOLOGIA Zanichelli editore, III edizione italiana 2009 SadavaD.,GordonH.C.H.,OriansH.,PurvesW.K.,HillisD.M. Volume 1 - La cellula - isbn Volume 2 - L'ereditarietà e il genoma isbn

3 Elementi di biologia e genetica David M. Hillis, David Sadava, H. Craig Heller, Craig H Heller, Mary V. Price Quarta edizione italiana luglio

4 Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter L'Essenziale di biologia molecolare della cellula Terza edizione 4

5 Colture primarie di cellule endoteliali...

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7 DIVISIONE CELLULARE

8 DIVISIONE CELLULARE

9 Cellule del sangue

10 Eritrociti

11 ADIPOCITI

12 CELLULE CILIATE TRACHEA

13 ROTTURA DEL FOLLICOLO: L'OVULAZIONE

14 SPERMATOZOI NEL CANALE CERVICALE

15 PRIMI GIORNI DI VITA

16 Unità di misura in lunghezza usate in BIOLOGIA Centrimetro (cm) = 1/100 di m Millimetro (mm) = 1/1.000 di m Micrometro (µm) = 1/1.000 di mm Nanometro (nm) = 1/1.000 di µm Angstrom (Å) = 1/ di µm Diametro approssimativo o larghezza x lunghezza in nm Globulo rosso ,4 volte superiore il diametro di E. coli E. coli 1300 x 4000 Rickettsie 475 Poxvirus 230 x 320 Virus dell influenza 85 Batteriofago T2 65 x 95 Virus mosaico tabacco 15 x 300 Virus poliomelite 27 16

17 Livelli di organizzazione in BIOLOGIA Dimensioni di alcune molecole biologiche, di microrganismi e di cellule 17

18 La cellula La cellula è la più piccola parte di un organismo,capace di esprimere tutte le proprietà vitali dell organismo stesso. Queste proprietà si traducono in : Attività metabolica Motilità Adattamento all ambiente Riproduzione 18

19 LA COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA CELLULA Gli elementi chimici che si trovano in natura sono : il carbonio (C), 97% l ossigeno (O), elementi primari l azoto (N), plastici l idrogeno (H) e seguono lo zolfo (S) e il fosforo (P) Sali inorganici : sotto forma dissociata di ioni idrati, cationi (K +, Na +, Ca ++, Mg ++ ); anioni (Cl -, HCO 3-, H 2 PO 4-, SO 4 -- ). Pochi elementi, principalmente metalli si trovano in piccole dosi ma svolgono importanti funzioni catalitiche per le attività metaboliche (Mn, Fe, Co, Cu, Mo, I, Br, V, Al, Se). 19

20 LA COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA CELLULA Componenti chimici della cellula possono essere classificati in : COMPOSTI INORGANICI : acqua, sali minerali. COMPOSTI ORGANICI : glucidi, lipidi, proteine, acidi nucleici, precursori e prodotti metabolici. Altri componenti organici : vitamine e ormoni Il protoplasma delle cellule animali e vegetali è costituito dal : % di acqua % di proteine 2-3 % di lipidi % di acidi nucleici 1.0 % di glucidi 1.0 % di sali minerali 20

21 LA CELLULA PROCARIOTICA DNA Setto Nucleoide Mesosoma Membrana plasmatica interna Parete cellulare Spazio periplasmatico Membrana esterna Spazio periplasmatico e parete cellulare Membrana esterna Membrana plasmatica interna Nucleoide Disegno di una tipica cellula procariotica durante il processo di divisione e fotografia al microscopio elettronico 21 di una sezione di E. coli, un comune batterio intestinale.

22 CARATTERI CONDIVISI DA TUTTI I PROCARIOTI Pseudomonas aeruginosa Tutti i procarioti dispongono : di una membrana plasmatica, delimita la cellula separandola dall ambiente esterno e regolando il passaggio di varie sostanze da e verso il citoplasma; di un nucleoide, DNA della cellula (contiene l informazione dell ereditarietà della cellula batterica). del citoplasma, consiste di due componenti : 1. il citosol solvente acquoso ( sali, biomolecole solubili ) 2. I ribosomi costituiti da RNA e proteine, la loro funzione è quella di coordinare i i processi di proteosintesi. 22

23 GENOMA DEI PROCARIOTI Il genoma dei procarioti è superavvolto e complessato con proteine (HU in E. coli) La maggior parte dei genomi procariotici è costituita da un unica molecola di DNA circolare. Mappa trascrizionale di E. coli

24 LA CELLULA EUCARIOTICA Membrana nucleare Membrana plasmatica Vescicole del Golgi Mitocondrio Perossiosomi Lisosomi Nucleo Reticolo endoplasmatico Vescicola secretoria Vescicole del Golgi Nucleo Lisosomi Mitocondrio Reticolo endoplasmatico Disegno di una cellula eucariotica e fotografia al 24 microscopio elettronico di una plasmacellula, cellula del sangue che secerne anticorpi.

25 LA CELLULA DEGLI EUCARIOTI La cellula degli eucarioti in genere presentano dimensioni 10 volte maggiori rispetto quelle dei procarioti Come le cellule dei procarioti dispongono di : una membrana plasmatica, di un citosol e di ribosomi del materiale genetico Diversamente dalle cellule dei procarioti presentano: un citoscheletro che stabilizza la forma cellulare e mobilita i materiali necessari al metabolismo; molti tipi differenti di comparti delimitati da membrane, il DNA lineare piuttosto che circolare. 25

26 Mitocondri Batteri

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28 GENOMA MITOCONDRIALE (mt DNA) Ogni mitocondrio può contenere da due a oltre 10 mtdna. L mtdna è' di coppie di basi e codifica per 37 geni: geni per la fosforilazione ossidativa geni per trna ed rrna mitocondriale 13 polipeptidi 2 rrna 22 trna Il genoma mitocondriale è molto simile a quello procariotico: i geni sono policistronici. I ribosomi sono molto più simili a quelli dei batteri Utilizza strategie di trascrizione diverse da quelle eucariotiche; hanno un'origine di replicazione Il genoma mitocondriale viene trasmesso per via materna

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30 PROGETTO GENOMA UMANO Milestones: 25 Aprile 1953 Nature pubblica The molecular structure of Nucleic Acids (J.D. Watson & F.H. Crick ) Gennaio Inizio Progetto Genoma Umano (U.S. Department of Energy and the National Institutes of Health) Febbraio Pubblicazione sequenziamento del genoma umano 2003 Il DNA compie 50 anni Febbraio 2003 muore il primo animale clonato la pecora Dolly Giugno 2007 Encode The encyclopedia of DNA elements 25 Aprile Welcome to National DNA Day Luglio Dieci anni dal sequenziamento del genoma umano

31 GENOMA UMANO Insieme di informazioni genetiche contenute nel DNA delle cellule umane. Due genomi: genoma nucleare, che comprende il 99,9995% dell informazione genetica genoma mitocondriale, che copre il rimanente 0,0005%.

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38 Il DNA nucleare viene condensato nei cromosomi. Nel nucleo di una cellula che non si sta dividendo, i cromosomi sono dispersi e non abbastanza spessi da poter esser osservati al microscopio ottico. I cromosomi divengono visibili al microscopio ottico solo durante la divisione cellulare. Fotografie al microscopio ottico dei 46 cromosomi umani. Un individuo normale ha 23 paia di cromosomi un membro di ogni coppia è ereditato dalla madre e l altro membro dal padre.

39 GLI ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici sono polimeri lineari specializzati per il deposito la trasmissione l utilizzazione dell informazione genetica Il DNA codifica le informazioni ereditarie trasmettendole di generazione in generazione. L informazione contenuta nel DNA permette di realizzare il programma genetico di ogni singola cellula e contiene le informazioni per dirigere la sintesi delle proteine, la replicazione del DNA e la correzione di eventuali errori di sintesi o riparazione di danni dovuti ad agenti esterni

40 DNA nucleare deossiribosio A T G C doppia elica sintetizzato e contenuto nel nucleo RNA ribosio A U G C singola elica sintetizzato nel nucleo e contenuto nel citoplama DNA - replicazione DNA - trascrizione RNA mrna rrna trna - traduzione sequenza aminoacidi polipeptidi sintesi proteica Insieme di polipeptidi = proteina (o subunità di) Proteine sintetizzate nel citoplasma, contenute sia nel nucleo sia nel citoplasma

41 STRUTTURA ED ORGANIZZAZIONE DEI CROMOSOMI Il numero di cromosomi e il contenuto in DNA delle cellule eucariotiche varia tra specie e specie. Gameti (spermatozoi e ovuli) dei mammiferi sono cellule specializzate che hanno un numero di cromosomi pari alla metà di quelli di una cellula somatica. Le cellule somatiche sono diploidi I gameti sono aploidi I gameti derivano da particolari cellule somatiche del testicolo e dell ovaio e vanno incontro ad una forma specializzata di divisione cellulare riduzionale detta meiosi Nell uomo questo determina la produzione di spermatozoi e ovuli ciascuno con 23 cromosomi : 22 autosomi + 1 cromosoma sessuale (che determina il sesso) X o Y

42 STRUTTURA ED ORGANIZZAZIONE DEI CROMOSOMI

43 Il bandeggio dei cromosomi permette la differenziazione dei cromosomi. Il bandeggio riflette variazioni nella struttura longitudinale dei cromatidi : composizione in basi, tempo di replicazione, conformazione della cromatica concentrazione di geni e sequenze ripetute La rappresentazione dell insieme completo dei cromosomi è chiamata cariogramma. Cariotipo descrizione del complemento cromosomico come insieme dei caratteri es. 46 XX o 46 XY

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45 IL CICLO CELLULARE DELLE CELLULE EUCARIOTE La vita di una cellula comprende una breve fase di divisione M e un interfase di durata maggiore. Nelle cellule in grado di dividersi l interfase è a sua volta suddivisa in tre sottofasi : G1, S, G2

46 IL CICLO CELLULARE DELLE CELLULE EUCARIOTE Contenuto di DNA cromosomico umano durante il ciclo cellulare

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48 Il Premio Nobel 2009 per la Medicina è andato a Elizabeth Blackburn della University of California, a Carol Greider della Johns Hopkins University School of Medicine di Baltimora e a Jack Szostak della Harvard Medical School di Boston. I tre studiosi sono stati insigniti del premio per aver scoperto i telomeri, ovvero le sequenze di Dna che proteggono le estremità dei cromosomi, e l`enzima deputato alla ricostruzione dei telomeri, la telomerasi: in particolare gli scienziati hanno individuato una specifica sequenza di Dna espressa nei telomeri che è in grado di preservare le cellule dall`invecchiamento.

49 Nobel 2010 : Scienza & Vita premio a Edwards padre fecondazione in vitro Le ricerche e i risultati ottenuti dallo scienziato britannico hanno reso possibile trattare l infertilità, un disturbo in crescita che affligge più del 10% delle coppie nel mondo. 4,3 mln figli della provetta nel mondo, la prima ha 32 anni

50 Questi immunologi sono stati in grado di scoprire non solo la sequenza con cui i nostri anticorpi si muovono contro gli agenti patogeni esterni, ma anche il meccanismo che porta il nostro sistema di difese ad attaccare anche elementi dell organismo stesso, determinando le malattie autoimmuni.

51 ROMA (8 ottobre 2012) - Il Premio Nobel per la Medicina 2012 è stato assegnato al britannico John B. Gurdon e al giapponese Shinya Yamanaka. E' stata premiata la loro scoperta delle cellule staminali riprogrammate, le cosiddette Ips (staminali pluripotenti indotte). Secondo il Comitato i due medici hanno rivoluzionato "la comprensione dello sviluppo e della specializzazione delle cellule". Una scoperta, commenta il preside della Facoltà di Medicina di Torvergata Giuseppe Novelli "destinata a cambiare totalmente l'approccio alle malattie croniche" con "cellule adulte che possono essere ringiovanite". 51

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53 Announcements of the 2013 Nobel Prizes Monday 7 October 53

54 La cellula Harvard Ciclo cellulare Virus Divisione cellulare mitosi Divisione cellulare meiosi Replicazione DNA Dogma centrale biologia Codice genetico