Obiettivi formativi

Il corso si propone di:
• Fornire le conoscenze di base sulle caratteristiche degli organismi viventi: procarioti, eucarioti, virus, mediante l'acquisizione dei concetti fondamentali della biologia e dei principi strutturali, funzionali e molecolari dei processi cellulari.
• Educare alla valutazione critica dei dati sperimentali, descrivendo e discutendo importanti esperimenti del passato e contemporanei.
• Far conoscere le metodologie correnti utilizzate nello studio delle molecole biologiche


CONTENUTI:
• Livelli di organizzazione degli organismi viventi
• Composizione chimica degli organismi viventi e molecole biologiche
• Basi energetiche dei fenomeni vitali: Metabolismo energetico, fotosintesi, respirazione cellulare. Enzimi.
• Struttura, funzione, replicazione della cellula eucariota e procariota. Ruolo della compartimentazione
• Metodi di studio/indagine delle cellule
• Membrana plasmatica: struttura, proprietà e funzione
• Comunicazione cellulare
• Ciclo cellulare e sua regolazione, mitosi, meiosi
• Valore genico degli acidi nucleici e dimostrazione sperimentale
• DNA: struttura, funzione, replicazione
• Mutazione e riparazione DNA
• Flusso informazionale: trascrizione, traduzione. Regolazione espressione genica in eucarioti e procarioti
• Trasmissione dei caratteri ereditari e Leggi di Mendel
• Tecnologia DNA ricombinante e genomica.
• Il genoma umano.
• Mutazioni somatiche e cancro
• Teoria Evoluzionistica. Speciazione, selezione, evoluzione, adattamento.
• Virus: cenni su struttura e ciclo vitale. Procarioti.
• Biologia dello sviluppo e dell'invecchiamento
• Il comportamento animale

Programma

CENNI GENERALI SUI TEMI FONDAMENTALI DELLA BIOLOGIA. Caratteristiche degli esseri viventi: cellula procariote ed eucariote, crescita e sviluppo, regolazione del metabolismo, capacità di rispondere agli stimoli, riproduzione, evoluzione ed adattamento. Livelli dell'organizzazione biologica. Trasmissione dell'informazione tra gli organismi e attraverso le generazioni. Evoluzione e classificazione gerarchica degli organismi viventi. Flusso di energia attraverso gli ecosistemi.

BASI CHIMICHE DELLA VITA. Elementi chimici principali costituenti degli organismi viventi. Legami covalente, ionico, polare, apolare, idrogeno; interazioni intermolecolari, forze van del waals. Reazioni redox, pH, sali, acidi, basi, tamponi. Gruppi funzionali. Isomeri geometrici e strutturali. Molecole organiche e macromolecole. Carboidrati, Proteine, Lipidi Acidi nucleici. Enantiomeri. Importanza dell'acqua in biologia.

METODI DI STUDIO DELLE CELLULE: microscopio ottico, microscopio elettronico; frazionamento cellulare

CELLULA PROCARIOTA ED EUCARIOTA. Teoria cellulare. Organizzazione della cellula. Membrane e compartimentazione interna. Organelli, caratteristiche e funzioni: Nucleo, ribosomi, RER, REL, Golgi, lisosomi, perossisomi, citoscheletro (microtubuli, microfilamenti, filamenti intermedi, centrioli), ciglia, flagelli, parete cellulare, matrice extracellulare. Cellula animale e vegetale. Mitocondri, e plastidi (cloroplasti, amiloplasti, cromoplasti) e teoria endosimbiontica.

MEMBRANE BIOLOGICHE. Struttura e modelli proposti. Tipi di lipidi e proteine costituenti le membrane. Funzione dei costituenti le membrane. 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.

Modalità d'esame

Prova scritta (quiz a scelta multipla e domande aperte) basata sui contenuti didattici di tutto il corso.
Gli studenti che abbiano ottenuto almeno 25/30 nella prova scritta e che aspirino ad un voto migliore possono sostenere una prova orale.