AA Biologia Applicata

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1 Corso di laurea in Scienze Infermieristiche AA Biologia Applicata Prof. Amedeo Amedei Department of Experimental and Clinical Medicine (University of Florence) Viale Pieraccini, Florence (Italy) Scientific Council Member of Toscana Life Sciences ( Phone: ; Skype: Amedeoi Web

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3 Dr. E. Niccolai Staff Dr. E. Russo Dr. F. Ricci Dr. G. Nannini 3

4 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 caratteristiche nuove che derivano dall interazione delle varie parti del sistema 4

5 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( ) Philosophie zoologique (1809) DARWIN ( ) L'origine delle specie (1859) 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 Concetto di SELEZIONE NATURALE esercitata dall AMBIENTE sulla VARIABILITA generata dalle MUTAZIONI 1859 L origine delle specie attraverso la selezione naturale 5

6 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 MATTHIAS SCHLEIDEN 1838 THEODORE SCHWANN 1839 Scoperta del microscopio ottico: Robert Hooke 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

7 1. Monera (Batteri) REGNI 2. Protista (Protozoi, alghe e muffe) 3. Plantae (Piante) 4. Fungi (Funghi e lieviti) 5. Animalia (Animali) Monera Protista Plantae Fungi Animalia Robert Whittaker 1969 Primi organismi 7

8 eubatteri archeobatteri batteri cianobatteri eucarioti cellula primordiale Woese

9 I sistemi biologici hanno una gerarchia di organizzazione Livelli di organizzazione CHIMICO CELLULA TESSUTO ORGANO SISTEMA ORGANISMO POPOLAZIONE COMUNITA ECOSISTEMA 9

10 Per lo studio delle 1,8 MILIONI di SPECIE di organismi fino ad oggi identificate è necessario classificarle SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE: SISTEMATICA TASSONOMIA è il campo della biologia che studia le diversità e le correlazioni evolutive degli organismi 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 che si incrociano solo fra loro FAMIGLIE ORDINI CLASSI PHYLA REGNI Organismi viventi sono raggruppati in 3 Domini: DOMINI ARCHEA, EUBACTERIA, EUCARYA 10

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12 12 Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

13 ATOMI MOLECOLE ORGANULI CELLULE Robert Hooke 1665 limite di risoluzione dell occhio umano Cellula vegetale (20 x 30 μm) limite di risoluzione del microscopio ottico Cellula animale (10-20 μm) limite di risoluzione del microscopio elettronico Batterio (1 x 2 μm) μm = 10-6 m nm = 10-9 m Å = m 13

14 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 50 μm 100 μm 100 μm ~ μm 2 ~ μm 2 Dimensione e forma dipendono dalla funzione es. 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

15 15 Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

16 FONDAMENTI METODOLOGICI DELLA BIOLOGIA CELLULARE Procedimenti operativi per la costruzione della conoscenza scientifica Induttivo: Deduttivo: dal particolare al generale 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: Metodi CONSERVATIVI: cercano di conoscere la composizione molecolare delle cellule utilizzando tecniche biochimiche analitiche studiano la morfologia e l organizzazione dei tessuti salvaguardandone l integrità delle cellule es. tecniche di microscopia e di coltura in vitro Fissazione: Inclusione: Colorazione: devitalizzazione senza introdurre artefatti permette la riduzione in fettine veri e propri coloranti per l ottico, soluzioni di metalli pesanti per l elettronico 16

17 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

18 Metodi DISTRUTTIVI Frazionamento di strutture cellulari tramite sedimentazione 18

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20 Metodi CONSERVATIVI 20

21 Potere risolutivo: capacità di distinguere due punti molto vicini fra loro microscopio ottico microscopio elettronico lunghezza d onda LR = 0,61 λ / n senα Limite di risoluzione indice di rifrazione angolo al centro del cono di luce che entra nell obiettivo λ = nm LR = 0,2 μm λ = nm LR = 0,7 nm 21

22 Microscopio Elettronico a Trasmissione TEM 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 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. d = 0,7 nm 22

23 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

24 Sangue Polline Formica Moscerino 24

25 Metodi CONSERVATIVI 25

26 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 ospite 26

27 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

28 Tipi di VIRUS Specie specifici I virus infettano solo uno specifico tipo cellulare 28

29 Virus del mosaico del tabacco subunità proteica del capside Batteriofago T4 Capside Colletto Basamento Fibre della coda Esempi di Virus 15 nm 90 nm HIV virus involucro lipidico proteine virali incorporate nell involucro RNA virale proteina del core 25 nm 29

30 Strategia generale riproduttiva 1.RICONOSCIMENTO DELL OSPITE 2.INFEZIONE 3.SINTESI DELLE MACROMOLECOLE VIRALI 4.ASSEMBLAGGIO E LIBERAZIONE DI NUOVI VIRIONI 30

31 Fagi virulenti : fago della serie T pari che infetta E. coli Batteriofagi Fagi temperati : fago λ che infetta E. coli ricombinazione e lisogenia Ciclo vitale (UV, mitomicina D, Fluorodeossiuridina) 31

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33 Geni precoci: -replicazione DNA virale -blocco funzioni cellulari batteriche Geni tardivi: -codificano per proteine capside e lisozima 33

34 RETROVIRUS (a RNA a singola elica) Trascrittasi inversa eccezione del DOGMA CENTRALE 34

35 DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA DNA Replicazione Trascrizione RNA Traduzione PROTEINE 35

36 Virus dell Influenza 36

37 HIV (Human Immunodeficiency Virus) 37

38 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