Dott.ssa Chiara Donati chiara.donati@unifi.it tel. 055 2751232 fax.055 7830303 orario ricevimento: giovedì 12.30-15.30 previo appuntamento via e-mail, Dip. Scienze Biomediche, Sperimentali e Cliniche «M.Serio» viale G.B.Morgagni 50, 50134, Firenze
PROGRAMMA ESTESO DEL CORSO 2015-16 La teoria cellulare Metodi di osservazione di cellule e molecole Le macromolecole della cellula: lipidi, carboidrati, proteine, acidi nucleici. La cellula procariotica. La cellula eucariotica. Organuli cellulari: struttura e funzione. Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico rugoso e Apparato di Golgi: sintesi delle proteine da secernere, sequenze segnale, glicosilazione e maturazione delle proteine nel Golgi. Esocitosi ed endocitosi. Lisosomi. Perossisomi. Nucleo. Mitocondrio. Cloroplasto. Membrane cellulari: struttura e funzione. Trasporto passivo, trasporto attivo primario e secondario. Citoscheletro: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi. Matrice extracellulare e giunzioni cellulari. Bioenergetica: il flusso di energia nella cellula. Enzimi e catalisi specifica. Regolazione dell attività enzimatica. La molecola dell ATP. Le vie metaboliche che liberano energia. Autotrofi ed eterotrofi. Metabolismo energetico chemiotrofo: Glicolisi, fermentazione, respirazione. Metabolismo energetico fototrofo: la fotosintesi. Piante C4 e CAM. La natura chimica del materiale genetico. Struttura e funzione del DNA. Organizzazione del DNA nei genomi. I cromosomi. Replicazione e controllo del processo di duplicazione. Le mutazioni e meccanismi di riparazione.
Espressione genica: processo di trascrizione dei RNA e meccanismi di maturazione negli eucarioti. Fattori di trascrizione negli eucarioti. Codice genetico e processo di traduzione. Il ribosoma. La regolazione dell espressione genica nei procarioti. La regolazione dell espressione genica negli eucarioti. La riproduzione batterica. Ciclo cellulare. Mitosi. Regolazione del ciclo cellulare. La riproduzione asessuale e sessuale. La meiosi. La trasmissione dei caratteri ereditari: genetica mendeliana e post-mendeliana. Principi generali di trasduzione del segnale. Messaggeri e Recettori. Virus, viroidi e prioni. Cellula vegetale e sue caratteristiche. Il vacuolo. La parete (formazione della parete, costituzione chimica della parete, parete primaria e secondaria, modificazioni della parete cellulare. Importanza della parete nel controllo della pressione osmotica) Plastidi(forme ed interconversioni fra plastidi, cromoplasti, leucoplasti, cloroplasti). Piante non vascolari. Piante vascolari senza semi. Piante vascolari con semi. Tessuti e sistemi di tessuti nelle piante. Livelli di organizzazione nella struttura delle piante. Anatomia delle piante: radice, fusto, foglie, seme, fiore. Ormoni vegetali e regolatori chimici.
Materiale didattico: «Biologia» Solomon et al.(versione Integrale), Ed. EdiSES «Il mondo della cellula» Becker et al., Ed. Pearson «Forma e funzione delle piante» Campbell-Reece, VOLUME 4 Ed. Pearson «Manuale di botanica farmaceutica» Maugini-Maleci-Mariotti, Ed. Piccin Modalità verifica apprendimento La prova finale consiste in un esame orale volto ad accertare le conoscenze della biologia, genetica e biologia vegetale Piattaforma e-learning per l Ateneo fiorentino Moodle (PW: BIOLOGIA)
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
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 «omnis cellula e cellula» MATTHIAS SCHLEIDEN 1838 THEODORE SCHWANN 1839 Invenzione del microscopio ottico: Robert Hooke 1665 sezioni di sughero «cellulae» 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
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
Woese
I sistemi biologici hanno una gerarchia di organizzazione Livelli di organizzazione CHIMICO CELLULA TESSUTO ORGANO SISTEMA ORGANISMO POPOLAZIONE COMUNITA ECOSISTEMA
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 Ogni organismo viene così posizionato, mediante una scala gerarchica, in una serie di gruppi tassonomici, detti taxa (taxon al singolare). La classificazione tassonomica è gerarchica SPECIE GENERI FAMIGLIE ORDINI Per SPECIE si intende un gruppo di organismi con struttura, funzione, comportamento simili che si incrociano solo fra loro CLASSI PHYLA REGNI DOMINI
Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005
Robert Hooke 1665 limite di risoluzione dell occhio umano Cellula vegetale (20 x 30 μm) CELLULE ORGANULI limite di risoluzione del microscopio ottico Batterio (1 x 2 μm) Cellula animale (10-20 μm) ATOMI MOLECOLE μm = 10-6 m nm = 10-9 m Å = 10-10 m limite di risoluzione del microscopio elettronico
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 ~ 120.000 μm 2 ~ 60.000 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
Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005
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: 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 elettronico
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
Frazionamento di strutture cellulari tramite sedimentazione Theodor Svedberg 1920
Potere risolutivo: microscopio ottico microscopio elettronico capacità di distinguere due punti molto vicini fra loro Limite risolutivo: lunghezza d onda d = 0,61 λ / n senα indice di rifrazione angolo al centro del cono di luce che entra nell obiettivo λ = 400-700 nm d = 0,2 μm λ = 0.1-0.2 nm d = 0,7 nm
Microscopio Elettronico a Trasmissione TEM 1932 Ultramicrotomo 20 nm d = 0,7 nm
Microscopio Elettronico a Scansione SEM d = 5-10 nm
L atomo di carbonio è l atomo più importante delle molecole biologiche Valenza 4, cioè l orbitale elettronico esterno manca di 4 degli 8 elettroni per avere il completo riempimento ed essere stabile. Gli atomi che condividono elettroni sono uniti da un legame covalente. La forza di un legame covalente è inversamente proporzionale ai pesi atomici degli elementi coinvolti in un legame
Energia di legame: la quantità di energia per rompere 1 mole di questi legami. Espressa in calorie/mole dove la caloria è la quantità di energia per far aumentare di 1 grado centigrado la temperatura di 1 gr di acqua
I gruppi funzionali determinano la solubilità in acqua e la reattività dei composti di cui fanno parte
L atomo di carbonio possiede una struttura tetraedrica. Se vi sono legati 4 differenti atomi sono possibili due differenti configurazioni spaziali, una l immagine speculare dell altra dette stereoisomeri. In questo modo l atomo di carbonio è definito asimmetrico.
L acqua riveste un ruolo fondamentale come solvente universale nei sistemi biologici Le molecole di acqua sono Polari Coesive Hanno una elevata capacità di stabilizzare la temperatura Elevato calore specifico (quantità di calore che 1 gr di sostanza deve assorbire per aumentare di 1 grado centigrado la sua temperatura) Calore di evaporazione Punto di ebollizione
Le cellule contengono tre tipi di macromolecole
Le macromolecole che sono responsabili della maggior parte delle forme e delle caratteristiche di tutti i sistemi viventi sono generate dalla polimerizzazione di piccole molecole organiche.