Codice insegnamento

4S00997

Docente

Elisabetta Trabetti

Coordinatore

Elisabetta Trabetti

Crediti

6

Lingua di erogazione

Italiano

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

BIO/13 - BIOLOGIA APPLICATA

Periodo

II semestre dal 4-mar-2019 al 14-giu-2019.

Orario Lezioni Moodle Seminari 0

Obiettivi formativi

Il corso si propone di:
(i) fornire le conoscenze di base sulle caratteristiche degli organismi viventi, in una visione evoluzionistica: procarioti, eucarioti, virus, mediante l'acquisizione dei concetti fonda-mentali della biologia e dei principi strutturali, funzionali e molecolari dei processi cellulari;
(ii) descri-vere i concetti fondamentali della genetica e della trasmissione dei caratteri ereditari nei diversi orga-nismi, con esempi specifici anche di caratteri patologici nell'uomo;
(iii) fornire le conoscenze di base sui meccanismi che regolano il flusso dell'informazione genetica e sullo sviluppo degli organismi;
(iv) fornire le conoscenze di base sul comportamento animale;
(v) educare alla valutazione critica dei dati sperimentali, descrivendo e discutendo importanti esperimenti del passato e contemporanei;
(vi) far conoscere le metodologie correnti utilizzate nello studio delle molecole biologiche.

Al termine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito le nozioni utili per una analisi critica dei meccanismi che regolano le interazioni intra- e intercellulari, fra i diversi organismi e tra organismi e ambiente, nonché dei meccanismi che regolano la riproduzione cellulare e che sono alla base delle mutazioni vitali in modo da conseguire autonomia di valutazione critica e globale dei meccanismi stessi. Dovrà inoltre dimostrare di aver acquisito le conoscenze sui meccanismi che regolano il flusso dell'informazione genetica, sullo sviluppo degli organismi, sulla trasmissione dei caratteri ereditari e sul comportamento animale. Lo studente dovrà inoltre dimostrare di aver acquisito le conoscenze metodologiche basilari applicate allo studio delle molecole biologiche e la capacità di esporre le pro-prie argomentazioni in maniera critica, precisa e con linguaggio scientifico appropriato.

Gli studenti saranno in grado di utilizzare le nozioni specifiche della biologia e delle basi genetiche della vita per proporre soluzioni adeguate ed originali nelle relative applicazioni informatiche; gli studenti acquisiranno inoltre capacità di lettura e comprensione di argomenti, anche avanzati, in ambito biologico e saranno quindi in grado di affrontare un percorso formativo (anche di livello magistrale) sia biotecnologico sia bioinformatico.

Programma

• CENNI GENERALI SUI TEMI FONDAMENTALI DELLA BIOLOGIA. Caratteristiche degli esseri viventi: cellula procariote ed eucariote, crescita e sviluppo, omeostasi, risposta agli stimoli, riproduzione, trasmissione dell'informazione, evoluzione ed adattamento. Livelli organizzazione biologica. Evoluzione e classificazione degli organismi viventi. Flusso di energia attraverso gli ecosistemi.
• BASI CHIMICHE DELLA VITA. Elementi chimici principali degli organismi viventi. cenni su legami, reazioni redox, pH, sali, acidi, basi, tamponi. Gruppi funzionali. Isomeri geometrici e strutturali. Molecole organiche e macromolecole. Carboidrati, Proteine, Lipidi Acidi nucleici. Enantiomeri. L'acqua.
• METODI DI STUDIO DELLE CELLULE: microscopio ottico, microscopio elettronico; frazionamento cellulare
• CELLULA PROCARIOTA ED EUCARIOTA. Teoria cellulare. Organizzazione della cellula. Caratteristiche strutturali e funzioni di: membrane, organelli, citoscheletro, ciglia e flagelli, parete cellulare, matrice extracellulare. Cellula animale e vegetale. Mitocondri, plastidi e teoria endosimbiontica.
• MEMBRANE BIOLOGICHE. Struttura e modelli proposti. Tipi di lipidi e proteine di membrana e loro funzione. Passaggio di materiali attraverso le membrane cellulari: trasporto passivo (diffusione semplice e facilitata), osmosi, trasporto attivo diretto e indiretto, cotrasporto. Esocitosi ed endocitosi. Giunzioni cellulari ancoranti, serrate e comunicanti nelle cellule animali e vegetali.
• COMUNICAZIONE CELLULARE. Tipi di comunicazione cellulare: endocrina, paracrina, iuxtacrina ed autocrina. Invio e ricezione del segnale. Recettori di superficie ed intracellulari. Recettori accoppiati a canali ionici, a proteine G, ad enzimi. Trasduzione del segnale e secondi messaggeri. La risposta ai segnali. Trasduzione negativa del segnale.
• FLUSSO DI ENERGIA ATTRAVERSO GLI ORGANISMI VIVENTI
Energia e metabolismo: energia e lavoro biologico; reazioni eso- ed endo-ergoniche, metabolismo, anabolismo e catabolismo; ossido-riduzioni, accoppiamento energetico; ATP; sistemi di trasferimenti di energia: trasportatori di gruppi fosfato, e- e altri gruppi attivi.
Enzimi. En attivazione, sito attivo, caratteristiche, funzionamento, regolazione, sistemi di attivazione e inibizione attività enzimatica, vie metaboliche, cofattori, coenzimi, gruppi prostetici.
• SINTESI DI ATP: VIE METABOLICHE CHE RILASCIANO ENERGIA. Reazioni redox. Glicolisi, Respirazione aerobia, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni: Fosforilazione ossidativa e chemiosmosi. Respirazione anaerobia. Fermentazione.
Fotosintesi. Clorofilla e altri pigmenti. .Sistemi antenna. Reazioni dipendenti dalla luce. Fotosistemi I e II. Trasporto ciclico e non ciclico di elettroni. Chemiosmosi e fotofosforilazione. Reazioni indipendenti dalla luce e fissazione del C. Ciclo di Calvin Benson. Ciclo C4. Ciclo crassulacee (CAM). Fotorespirazione. Eterotrofismo, autotrofismo, fototrofismo, chemiotrofismo.
• ORGANIZZAZIONE DEL DNA IN CROMOSOMI, MITOSI E MEIOSI. DNA e proteine, nucleosomi, eterocromatina, eucromatina, cromosoma condensato. Le fasi del ciclo cellulare e sua regolazione. Mitosi, riproduzione sessuata e meiosi.
• PRINCÌPI DELL’EREDITARIETÀ DI MENDEL. Definizione di fenotipo, genotipo, locus, gene, allele dominante e recessivo, omozigote ed eterozigote. Segregazione e assortimento indipendente. Incroci genetici. Indipendenza e associazione. Crossing-over e ricombinazione. Determinazione genetica del sesso. Interazione dei geni. Dominanza incompleta, codominanza, allelia multipla, epistasi e poligenia.
• DNA E MATERIALE EREDITARIO. Principio trasformante dei batteri. Esperimento di trasformazione di Griffith e esperimento di Hershey e Chase. Struttura del DNA. Replicazione. Esperimento di Meselson and Stahl e replicazione semiconservativa. Sintesi del DNA e riparazione degli errori.
• ESPRESSIONE GENICA NEI DIVERSI ORGANISMI. Relazione gene/proteina. Ipotesi gene/enzima ed esperimento di Beadle-Tatum. Flusso informazione genetica. Trascrizione, sintesi e maturazione di mRNA. Codice genetico, tRNA e traduzione. Modificazioni post/trascrizionali e post/traduzionali. Sequenze codificanti e non codificanti. Definizione di gene. Geni procarioti ed eucarioti. Diversi tipi di RNA e controllo espressione genica. Genomi virali. Mutazioni del DNA e mutagenesi.
• REGOLAZIONE GENICA IN PROCARIOTI ED EUCARIOTI. Operoni, promotori, geni inducibili e reprimibili, repressori, attivatori. Controllo positivo e negativo della trascrizione genica. Controlli post-trascrizionali e post-traduzionali. Eredità epigenetica. Imprinting. Amplificazione genica. Promotori, TATA box e UPE. Fattori di trascrizione, enhancer. Maturazione RNA e splicing alternativo. Stabilità RNA. Maturazione proteine.
• TECNICHE DEL DNA RICOMBINANTE E GENOMICA. Clonaggio del DNA, enzimi di restrizione, vettori e librerie genomiche. Sonde genetiche. Amplificazione del DNA in vitro mediante reazione a catena della polimerasi (PCR). Analisi del DNA mediante tecniche di elettroforesi: Southern, Northern e Western blot. Polimorfismi e sequenziamento del DNA. Definizione di genomica strutturale, funzionale e comparativa. Microarray a DNA. Progetto Genoma Umano, Bioinformatica, Farmacogenomica e Proteomica.
• GENOMA UMANO. Analisi del cariotipo e alberi genealogici. Modelli murini per lo studio delle malattie genetiche nell’uomo. Anomalie cromosomiche e mutazioni genetiche. Malattie con trasmissione autosomica recessiva, autosomica dominante, legata all’X. Procedimento della terapia genica. Consulenza e test genetici.
• BIOLOGIA DELLO SVILUPPO. Differenziamento cellulare e morfogenesi. Espressione genica differenziale. Cellule somatiche e germinali. Cellule staminali. Clonazione. Organismi transgenici. Controllo genetico dello sviluppo. Cenni a RNAinterference. Organismi modello: Drosophila, Caenorbiditis elegans, Topo, Arabidospsis. Geni a effetto materno, geni della segmentazione, geni omeotici. Sviluppo a mosaico, apoptosi. Topi transgenici. Processo di invecchiamento. Sviluppo delle piante. Cancro e sviluppo cellulare. Fattori di crescita.
• DARWIN ED EVOLUZIONE. Selezione naturale. Micro e macro-evoluzione. Teoria sintetica dell'evoluzione (neo-darwinismo). Effetto della casualità. Evidenze a sostegno dell'evoluzione. Rocce sedimentarie. Reperti fossili. Anatomia comparata. Biogeografia, storia geologica (deriva continenti e tettonica a placche) e correlazioni con l'evoluzione. Biologia dello sviluppo e schemi evolutivi. Confronto molecolare tra organismi. Universalità del codice genetico, cambiamenti evolutivi di proteine e DNA. Alberi filogenetici, speciazione e divergenza tra le specie. Ipotesi evolutive.
• BIOLOGIA GENERALE DEI VIRUS E DEI PROCARIOTI. Virus a DNA, a RNA e Fagi. Origine dei virus. Ciclo litico e virulenza. Ciclo lisogeno e virus temperati. Conversione lisogenica. Virus dei vertebrati e infezioni virali. Virus dei vegetali, cenni. Viroidi e prioni.
Procarioti. Domini Archea e Batteri. Gram+ e Gram-. Ciglia, flagelli, chemiotassi. Scissione binaria e riproduzione batterica. Trasferimento dell'informazione genetica. Trasformazione, traduzione, coniugazione. Evoluzione delle popolazioni batteriche. Sporificazione. Biofilm. Metabolismo: dipendenza dall'ossigeno e diverse fonti energetiche. Colonizzazione degli ambienti estremi. Procarioti e ambiente: parassiti, saprofiti, simbionti. Procarioti e malattie. Antibiotici e resistenza. Procarioti e processi commerciali.
• IL COMPORTAMENTO ANIMALE. Le influenze degli stimoli sensoriali, l’apprendimento, il patrimonio genetico. La selezione per la sopravvivenza e il successo riproduttivo, il concetto di fitness complessiva.
Le modalità didattiche adottate per l'insegnamento consistono in lezioni frontali. Oltre ai testi consigliati, vengono proposte integrazioni di approfondimento sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Durante tutto l'anno accademico è disponibile il servizio di ricevimento individuale in orario flessibile, previa richiesta per email.

Modalità d'esame

Per superare l'esame gli studenti dovranno dimostrare di aver appreso la conoscenza degli argomenti in programma e la capacità di esporre le proprie argomentazioni in modo preciso e con linguaggio scientifico appropriato.

L'esame consiste in una prova scritta, basata sui contenuti didattici di tutto il corso, contenente domande a risposta multipla e domande a risposta aperta. Sono previsti 4 appelli: 2 nella Sessione Estiva alla fine del corso, 1 nella Sessione Autunnale e 1 nella Sessione Straordinaria. E' inoltre prevista una prova intermedia facoltativa a metà corso.

L'esame si ritiene superato se la valutazione è maggiore o uguale a 18/30.
Gli studenti che superano la prova intermedia devono superare la prova finale che si terrà nello stesso giorno del primo appello della sessione estiva; il voto complessivo è dato dalla media matematica delle valutazioni in 30esimi ottenute nelle due parti.

Inoltre, gli studenti che abbiano ottenuto almeno 25 trentesimi nella prova scritta e che aspirino ad un voto migliore possono sostenere una prova orale (per chi ha superato la prova intermedia è prevista un'unica prova orale dopo la prova finale).