Biologia e Genetica Dott Francesco Piva Dipartimento di

Biologia e Genetica Dott Francesco Piva Dipartimento di Scienze Cliniche Specialistiche e Odontostomatologiche Brecce Bianche – Ancona – Palazzina Scienze 3 f. piva@univpm. it tel. 071. 220. 4641

Rispetto agli anni precedenti, il programma è stato semplificato in modo da: • ridurre le nozioni da dover imparare a memoria • ridurre i concetti troppo teorici o quelli che comunque andrebbero dimenticati in fretta dopo l’esame • aggiunti esempi pratici Si raccomanda di • partecipare • prendere appunti • avere un libro di testo di riferimento • in aula non disturbare Si ricorda che • questo non è il programma di Biologia e Genetica che si studia nei corsi di laurea di Medicina e Chirurgia

In preparazione dell’esame è importante: • essere presenti a lezione perché all’esame vengono chiesti gli stessi argomenti • studiare di settimana in settimana e non tutto insieme una settimana prima dell’esame • memorizzare gli schemi visti a lezione e saperli tracciare al momento dell’esame • avere proprietà di linguaggio • studiare e poi provare a ripetere

MODALITA’ D’ESAME • esame orale composto generalmente di due domande • durata: circa 20 minuti • statisticamente al primo appello c’è un discreto numero di respinti • in caso di bocciatura si può ripetere l’esame dalla sessione successiva • l’esame resta valido alla sessione successiva • lo stipendio dell’insegnante NON è proporzionale al numero dei respinti • ricevimento studenti: dopo la lezione o nel mio ufficio per appuntamento • quasi nessuno approfitta del ricevimento con l’insegnate • per cui l’insegnante assume che i concetti del corso siano tutti CRISTALLINI • ergo durante l’esame la frase “ma io questo non l’avevo capito” non va MAI pronunciata

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Gli organismi sono fatti da cellule. La cellula è la più piccola unità vivente. La scoperta delle cellule è stata possibile grazie all’invenzione del microscopio ottico. Le piccole dimensioni delle cellule non permettono di studiarne la struttura ad occhio nudo.

Un comune microscopio ottico. Notare che il campione da osservare deve essere molto sottile per poter essere attraversato dalla luce. Schema del microscopio ottico, si può vedere il cammino ottico dalla sorgente di luce all’oculare. Riusciamo ad ingrandire al massimo 1200 volte. Ingrandimenti leggermente superiori si ottengono con i microscopi a fluorescenza che utilizzano luce ultravioletta e quindi hanno un maggior potere risolutivo.

La cellula è l'unità vivente fondamentale, deriva da un’altra cellula, può crescere, riprodursi, morire e cellule possono essere coltivate in laboratorio.

Cellule possono essere fatte crescere in laboratorio: colture cellulari

Caratteristiche delle cellule Le cellule di organismi diversi (ad es uomo, topo, gatto, lumaca, lievito, quercia. . . ) sono molto simili in termini di struttura interna, funzionamento e processi fondamentali (trascrizione, sintesi proteica. . . ) per cui lo studio della biologia cellulare assume una valenza abbastanza generale. La cellula è molto complessa, racchiude molte strutture e migliaia di componenti che interagiscono tra loro.

Come una casa o un automobile vengono costruite seguendo un progetto, la cellula viene costruita e diretta secondo le informazioni che sono depositate nel genoma. Ogni cellula ha il proprio genoma. Un genoma contiene una grande quantità di informazione. Utilizzando un paragone informatico, pensiamo che il genoma di una cellula umana contiene vari Gigabyte di informazione. Il genoma è codificato e supportato su una struttura talmente compatta da occupare uno spazio piccolissimo. L'informazione che risiede nel genoma umano è relativamente facile da leggere ma è molto difficile interpretarne il significato ovvero le istruzioni che contiene. Ad es. nel genoma umano c'è scritto anche a quali patologie siamo più suscettibili ma non sappiamo decifrare questa informazione. Le cellule possono riprodursi, una cellula può dividersi dando origine a due cellule figlie, ciascuna avente lo stesso materiale genetico della cellula madre.

Le cellule utilizzano energia. L'energia proviene dall'illuminazione solare che mediante la fotosintesi viene convertita in energia chimica, immagazzinata nei carboidrati (es. saccarosio e amido). Le cellule animali utilizzano tali carboidrati (es. glucosio) trasformandoli prima in ATP, una forma di energia facilmente utilizzabile dalla cellula. Le cellule utilizzano molta energia per il proprio mantenimento ovvero per demolire e ricostruire le proprie parti.

All'interno della cellula avvengono molte reazioni chimiche costituiscono il metabolismo cellulare.

Le cellule rispondono agli stimoli esterni. Ad es. un paramecio si mette a nuotare verso una zona a maggior concentrazione di nutrienti o può allontanarsi da un ostacolo.

La cellula di un animale ha vari recettori che la rendono sensibile alla presenza di determinate molecole che si trovano nell'ambiente in cui la cellula è immersa. Esistono recettori sensibili agli ormoni, a fattori di crescita, a materiali extracellulari, a sostanze che si trovano sulla superficie di altre cellule. La cellula, a seconda delle condizioni ambientali in cui si trova, può modificare il suo metabolismo, iniziare a dividersi, spostarsi, suicidarsi e altro ancora.

Le cellule si possono dividere in procariotiche ed eucariotiche sulla base delle loro dimensioni e delle strutture interne. In linea generale, le cellule procariotiche hanno una struttura interna semplice. La tipica cellula procariotica è il batterio. Tutti gli altri organismi (anche funghi e piante) sono costituiti da cellule eucariotiche.

Entrambi i tipi di cellule hanno vie metaboliche simili, lo stesso modo di codificare l'informazione genetica, sono delimitate da una membrana plasmatica che separa la cellula dal mondo esterno, hanno i ribosomi (deputati alla costruzione di proteine). Passando alle differenze, le cellule eucariotiche hanno un nucleo che racchiude il materiale genetico, hanno molto più materiale genetico delle cellule procariotiche, il materiale genetico è organizzato in cromosomi e questi sono associati a proteine. Questa struttura di cromosomi e proteine viene detta cromatina. Il citoplasma della cellula contiene diverse strutture a membrana o organuli delimitati da membrane: - mitocondri, produttori di energia - reticolo endoplasmatico, al cui interno vengono sintetizzati vari lipidi e proteine - complessi del Golgi, in cui diverse sostanze vengono condotte in diverse parti della cellula - vescicole varie

Le attività interne di organismi multicellulari, quali l'uomo, sono suddivise fra tipi di cellule differenti, formatesi per differenziamento. Pensiamo che da un uovo fecondato si formano molti tipi di cellule, alcune delle quali i muscoli, altre il tessuto osseo, altre le diverse parti di un organo. Una cellula embrionale si differenzia in risposta a segnali chimici esterni. Le cellule differenziate si distinguono per forma, materiali interni e funzione. Ad es. i globulo rosso ha assunto la forma di un disco e si è trasformato un una sacca piena di emoglobina.

In caso di linfomi e leucemie (tumori che riguardano i globuli bianchi) il paziente deve essere sottoposto a un trattamento con forte dosi di raggi X o sostanze che uccidano le cellule tumorali. Purtroppo queste terapie non sono selettive ovvero uccidono anche le cellule sane, in particolare vengono uccise le cellule che producono globuli bianchi e rossi. Come possiamo ripristinare queste cellule sane andate perse? Mediante il trapianto di midollo osseo estratto dall'interno delle ossa pelviche di un donatore. Infatti il midollo osseo del donatore contiene cellule staminali ematopoietiche, cellule capaci di mantenere se stesse e generare i globuli andati persi.

Le cellule staminali sono cellule indifferenziate capaci di produrre una gran quantità di cellule uguali a se stesse, alcune restano staminali (autorinnovamento) invece altre si differenziano. La possibilità di conservare il sangue del cordone ombelicale del proprio neonato serve proprio ad avere una riserva di cellule staminali che può essere usata per curare un eventuale patologia.

Quasi tutti i nostri organi hanno cellule staminali, che normalmente servono a rimpiazzare le cellule del loro tessuto o a riparare il tessuto danneggiato. L'interesse verso altri tipi di cellule staminali deriva dal fatto che se le trapiantiamo in un tessuto danneggiato, queste sono in grado di rigenerare il tessuto. Pensiamo a quali possibilità di cura si avrebbero ad es. nel caso dell'infarto, a seguito del quale una parte delle cellule muscolari cardiache vengono private di ossigeno e muoiono. L’infarto al miocardio causato dall’occlusione di un arteria coronarica. La zona di tessuto a valle dell’ostruzione resta senza apporto di sangue. In questo caso, ammettendo che il paziente sopravviva, una parte del suo cuore non si contrarrà più. La ricerca mira a ripristinare le cellule danneggiate tramite iniezione di cellule staminali adulte. I problemi risiedono nel fatto che non sempre le cellule staminali adulte, a cui fin qui ci siamo riferiti, riescono a differenziarsi e ad essere mantenute in coltura indefinitamente.

Le cellule staminali embrionali Sono le cellule dell'embrione precoce, che sono pertanto in grado di differenziarsi in ogni tessuto. La ricerca sta cercando di capire come indurre queste cellule a differenziarsi in un tipo cellulare definito per poi potere essere trapiantate. Infatti se si impiantassero cellule staminali embrionali, queste potrebbero formare un tumore benigno consistente in una sorta di massa informe e mista di vari tessuti.

Altre ricerche stanno cercando di modificare le cellule staminali embrionali per far loro assumere lo stesso patrimonio genetico dell'individuo che subirà il trapianto in modo da evitare un rigetto da parte del sistema immunitario del trapiantato. Questi studi aprirebbero anche la possibilità di trattare i disordini ereditari (es. distrofia muscolare) perché si potrebbe correggere il difetto genetico nelle cellule staminali e poi si potrebbero impiantare in modo che diano luogo a cellule sane.

Tutto questo pone però un importante problema etico perchè nella manipolazione delle cellule staminali embrionali viene di fatto creato prima un embrione umano che si usa come fonte di cellule staminali embrionali.

Un aspetto pratico I virus sono aggregati molecolari molto più piccoli dei batteri, sono non viventi ma sono capaci di riprodursi e causare malattie quando entrano in contatto con le cellule. Per questo motivo si dice che il virus sia un parassita intracellulare obbligato. Il virus è composto da un involucro proteico (capside) che racchiude materiale genetico (DNA o RNA). Virus dell’influenza Virus batteriofago Virus Ebola

Nel caso del virus dell'HIV (causa dell'AIDS) è presente un ulteriore involucro esterno a quello proteico, esattamente un involucro di lipidi derivato dalla membrana plasmatica modificata della cellula in cui si è riprodotto il virus. Nell'involucro del virus ci sono proteine che vengono riconosciute e legate da componenti della superficie della cellula ospitante.

Possiamo pensare che il virus si camuffa in modo che la cellula non lo riconosca come estraneo e lo lasci entrare. Questa interazione tra proteina del virus e proteine della cellula determina la capacità del virus di poter infettare la cellula. Quindi non basta che il virus entri in contatto con una cellula ma ci deve essere anche un riconoscimento (in informatica si parlerebbe di handshaking, stretta di mano). Per questo motivo alcuni virus possono infettare solo certe cellule di determinati organismi, ad es. il virus HIV infetta i globuli bianchi, il virus del raffreddore e dell'influenza infettano solo le cellule dell'epitelio respiratorio, il virus della rabbia infetta varie specie tra cui l'uomo, il cane e il pipistrello. Quando un virus muta potrebbe cambiare le proteine che espone all'esterno e quindi assumere la capacità di infettare altre specie. La grande influenza (influenza spagnola) del 1918 che uccise ben 30 milioni di persone nel mondo era stata causata dal virus dell'influenza degli uccelli che per varie mutazioni divenne in grado di colpire l'uomo. Riflettiamo sul pericolo che malintenzionati possano usare le conoscenze sui genomi virali più pericolosi per costruire in laboratorio virus da usare in attentati.

Qual'è il meccanismo patogenetico del virus? Il virus che è entrato nella cellula, la costringe a lavorare per la produzione di nuovi virus e quando questi hanno raggiunto un numero elevato la cellula rigonfia si rompe (lisi) e i nuovi virus infettano le cellule limitrofe. Alternativamente alcuni virus non uccidono le cellule che hanno preso in ostaggio, ma le usano per generare continuamente virus tramite gemmazione (caso di HIV). Uscita del virus dalla cellula per gemmazione Uscita del virus per lisi della cellula