Biologia animale 1

Facoltà di Scienze del Farmaco

Corso di laurea magistrale in farmacia

Anno Accademico 2016/2017

Insegnamento: Biologia animale 7 CFU – P. Limonta

Biologia: è la scienza della vita che indaga le caratteristiche dei sistemi viventi. Si parla di biologia molecolare, cellulare e animale.

Primi principi della teoria cellulare

• La cellula è l'unità strutturale della vita.
• Tutti gli organismi sono composti da una o più cellule.
• Tutte le cellule originano da cellule preesistenti.

Gli organismi

• Regolano i propri processi metabolici -omeostasi-
• Si muovono
• Rispondono agli stimoli
• Si riproducono – riproduzione asessuata e sessuata
• Si evolvono – selezione naturale

La scoperta delle cellule

La scoperta delle cellule, che segue l'invenzione del microscopio ottico (1676), fu ad opera di R. Hooke che per primo propose il concetto di cellula basandosi sull'osservazione di un foglietto di sughero il quale presentava delle cellette lasciate da cellule morte.

Cellula

Unità fondamentale della materia vivente e più piccola unità capace di vita indipendente. La prima coltura in vitro di cellule umane (15 micron) fu costituita da cellule HeLa (dal nome Henrietta Lacks morta nel 1951 per un tumore alla cervice uterina) ottenute da un lembo di tessuto a seguito di una biopsia della massa tumorale. Le HeLa hanno la caratteristica unica di essere molto più resistenti anche delle cellule tumorali stesse e di poter vivere in condizioni ostili alla vita quali il sopravvivere e riprodursi anche senza terreno di coltura. Ciò è dovuto da una mutazione della telomerasi che previene l'accorciamento del telomero durante la replicazione, cosa che se avviene nelle cellule normali esse muoiono dopo pochi duplicazioni.

Modelli sperimentali biologici

• C. elegans: Importante modello per lo studio della biologia dello sviluppo. È un verme trasparente con un numero di cellule fisso. Colorando le sue cellule è possibile vedere come si muovono e duplicano. Il corredo cromosomico di C. elegans comprende cinque paia di autosomi e due cromosomi sessuali: 6 coppie di cromosomi. Se si tratta di XX, l'organismo è ermafrodita (ha entrambi gli organi sessuali). Nel caso in cui durante la meiosi viene persa una X da un gamete, allora il verme possiede una combinazione XO ed è un maschio il quale se incontra un ermafrodita (che si comporterà dunque da femmina) potrà fecondarlo. Nell'uomo è conosciuta la sindrome di Turner che interessa le donne le quali presentano una mutazione genetica nella coppia di cromosomi sessuali che è di tipo X0 -> aneuploidia (= variazione del numero dei cromosomi che normalmente caratterizza le cellule di un individuo della stessa specie. Per l'uomo il numero caratteristico è 46 ma questa donna avrà 45 presentando ripercussioni a livello del fenotipo).
• Drosophila melanogaster: Importante modello per lo studio della genetica classica e per gli studi dell'ereditarietà indicata da T. Morgan all'inizio del 1900. È un insetto piccolo a breve tempo di generazione (2 settimane) e a elevata produttività (600 uova in 10 giorni). Ha 4 paia di cromosomi: 3 autosomi e 1 sessuale. Frequenti sono le mutazioni genetiche che ci hanno chiarito come i geni governano la formazione degli schemi corporei.
• Xenopus laevis: Importante modello per lo studio della genetica classica e delle prime fasi di riproduzione sessuata e dello sviluppo soprattutto embrionale. La madre genera delle uova che poi vengono espulse dal corpo durante l'accoppiamento e fecondate fuori da esso in ambiente acquoso. Le cellule uovo producono sostanze chemiotattiche che richiamano a loro gli spermatozoi. Queste cellule sono visibili ad occhio nudo e se ne può seguire lo sviluppo.
• Topo: Importante modello per lo studio dei mammiferi e in particolare dell'uomo. Il topo (20 coppie di cromosomi) è un mammifero a crescita rapida le cui proteine in sequenza amminoacidica presentano un'altissima percentuale (80-90%) di omogeneità con quelle dell'uomo. Il confronto tra le sequenze geniche ci dicono quanto due organismi sono evolutivamente vicini. Esempio di patologia presente sia nell'uomo che nel topo responsabile dello spostamento dei melanociti (produttori di melanina) nella pelle nello stesso identico loco.

La biologia studia la struttura e le funzioni della cellula: sintesi DNA, RNA, proteine, utilizzo composti organici per ottenere energia, comunicazioni con altre cellule, risposta a segnali provenienti da altre cellule, movimento, riproduzione, etc. La trasmissione dell'informazione: il DNA (acido desossiribonucleico) molecola informazionale, costituito da due filamenti antiparalleli di nucleotidi legati tra loro avvolti a elica destrorsa. Si parla di flusso informazionale in due sensi: Cellula madre divisa in 2 cellule figlie identiche per mitosi. Funzione codificante. Una lunga molecola di DNA è detta cromosoma costituito da unità funzionali che sono i geni. Il gene è una specifica sequenza di nucleotidi che può essere copiato da RNA per codificare una proteina. Passaggio da DNA (genotipo) a proteina (fenotipo).

In biologia si parla anche di un altro tipo di flusso: Flusso di energia nell'ecosistema. Necessitano di energia ricavata dalla demolizione dei legami delle molecole degli alimenti (glucosio > ATP > riserva).

Applicazioni metodiche biologiche

Clonazione: si vuole ottenere un organismo identico a uno già esistente le cui cellule possiedono tutte lo stesso DNA. Pecora Dolly 1996 1° animale clonato.

1. Soggetto da clonare: tolta una cellula diploide (tutte tranne i gameti) e si isola il nucleo. Soggetto ospite: tolta una cellula uovo privata del nucleo.
2. Inserisco il nucleo con corredo cromosomico diploide nel citoplasma della cellula uovo ospitante, quindi come se la cellula uovo con corredo cromosomico dimezzato fosse fecondata da un gamete di sesso opposto.
3. In laboratorio avvio il processo di sviluppo.
4. Reinserisco lo zigote nel soggetto ospite che porterà avanti la gravidanza e da cui nascerà un soggetto (Dolly) identico a quello scelto. La clonazione si decide di fare quando ci sono animali con particolari caratteristiche o doti (mucca da latte).

Clonazione terapeutica: Questa tecnica prevede la formazione di un embrione il cui sviluppo viene arrestato allo stadio di blastociste dentro la quale sono presenti le cellule staminali embrionali che in laboratorio possono essere prelevate e fatte duplicare. La tecnica potrebbe essere impiegata in un programma terapeutico al fine di costituire una fonte di rifornimento cellulare al paziente da curare. L'impiego di questa tecnica delinea la possibilità di avere a disposizione linee cellulari pluripotenti direttamente dalle cellule trapiantate dai pazienti, mediante una sorta di "autotrapianto". Il trapianto nucleare somatico viene detto "clonazione terapeutica", che si differenzia da quella riproduttiva che dà invece origine ad un intero organismo.

Cellule staminali

Sono tipiche della fase embrionale ma sono presenti anche nell'adulto in diversi tessuti. Il loro destino non è ancora stato deciso -> sono indifferenziate. In laboratorio ponendole in ambienti diversi posso differenziarle come voglio.

Principalmente hanno due proprietà: si autorinnovano velocemente rimanendo staminali o originano popolazioni diverse differenziandosi in modo irreversibile. A seconda della fase di vita di un individuo si dicono:

• Totipotenti: sono staminali embrionali tipiche dell'embrione di 3 giorni. Possono generare tutti i tessuti di un individuo e gli annessi embrionali.
• Pluripotenti: sono staminali embrionali (ES) tipiche dell'embrione di 1 settimana. Cellule in grado di dare luogo a tutti i tessuti di un individuo ma non agli annessi embrionali. Sono pluripotenti le cellule della massa interna della blastocisti.
• Multipotenti: cellule staminali che interessano sia l'embrione di 1 mese che l'adulto in alcuni tessuti (di cui in particolare si parla di cellule emopoietiche e mesenchimali). Sono cellule maggiormente differenziate rispetto alle precedenti, sono in grado di dare luogo a tutti i tipi cellulari del tessuto di appartenenza.

Cellule staminali pluripotenti indotte (iPS)

Esiste un nuovo sistema per ottenere cellule staminali pluripotenti senza aver bisogno di un embrione da bloccare in stadio di blastocisti. Prendo una cellula somatica già differenziata in un individuo e attuo una riprogrammazione genetica che consiste nell'aggiungere alcuni geni tramite virus a DNA alla cellula ottenendone una staminale pluripotente, non embrionale, indotte in coltura dette iPS. È un nuovissimo sistema che si sta studiando per curare malattie neurodegenerative coltivando iPS dei motoneuroni.

C'è manipolazione genetica spinta. Due modi per ottenere staminali pluripotenti: ES e iPS.

La cellula

• Unità fondamentale, strutturale e funzionale di tutti gli organismi viventi unicellulari e pluricellulari.
• È un piccolo compartimento circondato da una membrana che separa l'ambiente esterno da quello interno, riempito di una soluzione acquosa concentrata di composti chimici, il citoplasma.
• Contiene inoltre sistemi biochimici e molecolari altamente organizzati in grado di immagazzinare informazioni e utilizzarle nella sintesi di nuove molecole biologiche.
• Utilizza fonti energetiche per supportare la propria attività.
• È dotata di movimento.
• Può adattare il proprio metabolismo a cambiamenti dell'ambiente circostante.
• Si duplica in continuazione e trasmette tutte le informazioni ereditarie, i principali sistemi biochimici e molecolari alla progenie.

Esistono due tipi di cellule

• Procariotiche: batteri -> cellula semplice con DNA libero nel citoplasma.
• Eucariotiche: DNA nell'involucro nucleare (= sistema di 2 membrane con pori nucleari che consentono gli scambi selettivi tra nucleo e citoplasma).
• Virus: non sono cellule ma particelle virali. Essi non possono vivere da soli ma infettano altre cellule (infezione virale) dove si riproducono sfruttando i loro macchinari biochimici.

Classificazione delle cellule

Domini: procarioti eucarioti. Regni: 2 - batteri (eubatteri), 4 - protisti (per lo più unicellulari)

• Archeabatteri (archea = estremofili 4 categorie principali:
  • Protozoi (flagellati, amebe, ciliati)
  • Muffe, alghe unicellulari
  • Alghe pluricellulari)
• Funghi
• Piante
• Animali

Secondo una 2° definizione batteri e archeabatteri vengono considerati 2 domini diversi: si parla quindi di 3 domini diversi: batteri – archeabatteri – eucarioti. In totale 6 regni. Tutte le cellule hanno un antenato comune: i procarioti = pro: prima e kàryon: nucleo.

Le cellule dei diversi organismi possono essere suddivise in due gruppi principali

Procarioti

(pro- «prima» e karyon «nucleo») Si sono precocemente separati durante l'evoluzione: Eubatteri ed archeabatteri. I vari ceppi hanno forme diverse (sferica, bastoncellare o spirale) dalle quali prendono il nome. La caratterizzazione dei Procarioti avviene in base alla loro morfologia, alla dimensione e alle strategie nutrizionali:

• Fotoautotrofi sono organismi fotosintetici che utilizzano la luce solare e l'anidride carbonica per formare composti organici.
• Chemioautotrofi utilizzano CO₂ ed estraggono l'energia da sostanze inorganiche (solfuro di idrogeno H₂S o ammoniaca NH₃).
• Fotoeterotrofi utilizzano la luce per generare ATP ma degradando sostanze organiche.
• Chemioeterotrofi degradano sostanze organiche per ottenere energia e carbonio.

Il diametro è 1-10 micron che è il limite del potere di risoluzione del microscopio ottico. In queste cellule il sistema di membrane è circoscritto alla sola membrana esterna, la membrana plasmatica, e ad un sistema relativamente semplice di membrane interne. Non hanno citoscheletro. All'interno si trova il citoplasma e la regione nucleare, chiamata nucleoide, non ha una membrana che la separa dal citoplasma circostante. I procarioti non hanno il nucleo. L'informazione genetica è contenuta in una sola molecola di DNA circolare. Non hanno organelli [organelli: strutture rivestite da membrana]. Hanno dei 'ribosomi' non rivestiti da membrana e costituiti da RNA e proteine che sono detti strutture citoplasmatiche. Oltre alla membrana possiedono una parete cellulare che è un involucro protettivo composto da polisaccaridi e peptidi poroso e facilmente penetrabile da varie molecole. Con la colorazione della parete possono essere suddivisi in Gram+ o Gram-. Si riproducono rapidamente dividendosi in due cellule uguali tra loro ed alla cellula parentale. Evolvono in fretta e possono acquisire rapidamente la capacità di utilizzare nuove fonti di sostentamento (o di resistere agli effetti letali di un antibiotico mai incontrato prima). Alcuni sono aerobi (usano l'ossigeno per ossidare le molecole nutritive), altri sono anaerobi. Ogni cellula corrisponde ad un individuo. Spesso sono dotati di movimento e presentano un flagello.

Eucarioti

(eu = tipico o vero e karyon = nucleo). Sono compresi in questo gruppo: protisti, funghi, piante ed animali. Diametro 10-100 micron. Una membrana plasmatica riveste la superficie cellulare. Un sistema complicato di membrane interne suddivide lo spazio intracellulare in compartimenti distinti, ciascuno con funzioni specializzate -> organelli es: mitocondri e cloroplasti hanno ruoli fondamentali nel metabolismo energetico: metabolismo ossidativo (demolizione del glucosio in H e CO₂ formando ATP - mitocondri) e fotosintesi nei vegetali (processo opposto CO₂ + H₂ -> glucosio - cloroplasti); i lisosomi e i perossisomi sono coinvolti rispettivamente nella digestione mitocondriale e in reazioni ossidative; reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi sono dedicati allo smistamento e al trasporto delle proteine: nel citoplasma nei ribosomi vengono prodotte le proteine e ognuna deve raggiungere il loco di funzionamento interno o esterno che sia. In particolare nel Golgi subiscono modificazioni chimiche come il loro ripiegamento folding che se mal riuscito si chiama unfolder. Il nucleo, che contiene il materiale genetico, è circondato da un doppio sistema di membrane (involucro nucleare) che lo separano dal citoplasma. Le molteplici molecole di DNA hanno forma lineare e non circolare. Possiede citoscheletro (reticolo di filamenti proteici) fornisce l'impalcatura strutturale della cellula; quando una cellula è immobile lo è anche il suo citoscheletro, quando la cellula si muove esso cambia conformazione. È costituito da 3 tipi di microfilamenti dei quali il più importante per il movimento è l'actina. Nei protisti ogni cellula rappresenta un individuo. Funghi, piante ed animali sono organismi multicellulari.

Organizzazione biologica

Si basa su una gerarchia di livelli strutturali: Atomo -> molecola -> macromolecola -> organuli -> cellula -> tessuto -> organo -> sistema/apparato -> organismo.

Organizzazione ecologica

Popolazione: i membri di una stessa specie che vivono in una stessa area.