Biologia animale 1

FACOLTA’ 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: che segue l’invenzione del microscopio ottico (1676) fu ad opera di

R.Hooke che per 1° 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 1

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 dal 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 ermafrodite

(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 -> ANULOPLODIA

(= 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 insetti 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 OMOGENEITA’ con quelle

dell’uomo. Il confronto tra le sequenze geniche ci dicono quanto due organismi sono

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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, ecc, la trasmissione dell’informazione: il

DNA (acido desossiribonucleico) MOLECOLA INFORMAZIONALE, costituito da due filamenti

antiparalleli di nucleotidi legati tra loro avvolti a ELICA DESTROIRSA. 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) 3

Applicazioni metodiche biologiche

CLONAZIONE: si vuole ottenere un organismo identico a uno già esistente le quali 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. 4

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, INDOTTTE 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

2 modi per ottenere staminali pluripotenti: ES e iPS. 5

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.

- E’ 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).

-> i 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:

vivono in condizioni particolari: PROTOZOI (flagellati, amebe, ciliati)

ambienti salati -> ALOFILI MUFFE, ALGHE UNICELLULARI

alte temperature e ambienti acidi -> TERMOACIDOFILI ALGHE PLURICELLULARI)

FUNGHI

senza O₂ convertendo CO₂ e H₂ in metano-> METANOGENI) -

-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. 6

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 che 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 CO formando ATP-

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mitocondri) e fotosintesi nei vegetali (processo opposto CO + H ->glucosio- cloroplasti); i

2 2

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 chimica come il loro ripiegamento FOLDING che

se mal riuscito si chiama UNFOLDER. Il NUCLEO, che contiene il materiale genetico, è

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circondato da un doppio sistema di membrane (INVOLUCRO NUCLEARE) che lo separano dal

citoplasma. Le molteplici molecole di DNA ha 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 g