Laurea triennale in Biotecnologie

Corso di:

CITOLOGIA, ISTOLOGIA E EMBRIOLOGIA

Luciana Dini

luciana.dini@unisalento.it

La biologia (dal greco βιολογία, composto da βίος, bìos= "vita" e λόγος, lògos= nel senso di "studio")

è la scienza che studia tutto ciò che riguarda la vita.

• Con il termine di biotecnologia (tecnologia biologica) si indicano tutte le applicazioni tecnologiche della biologia. Tra le definizioni disponibili, la più completa è indubbiamente quella stesa dalla Convenzione sulla Diversità Biologica:

"La biotecnologia è l'applicazione tecnologica che si serve dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine specifico".

Visione generale della biologia I biologi studiano la vita a molteplici livelli di scala:

•su scala molecolare con biologia molecolare, biochimica e genetica molecolare(studio di grandi molecole biologiche, della loro struttura, delle loro proprietà e interazioni)

•su scala cellulare con citologia

•su scala multi-cellulare con istologia

•su scala di strutture e processi di un organismocon anatomiae fisiologia

•su scala dello sviluppo di un organismo mediante l'embriologiae la biologia dello sviluppo

•su scala di popolazione di organismi con genetica delle popolazioni, ed esame delle interazioni fra di essi con etologia(comportamento e adattabilità)

•su scala multi-specie(lignaggio, discendenza) con la sistematica(paragone e classificazione di organismi viventi ed estinti)

•su scala ancora maggiore si trova l'ecologia (che studia gli ecosistemi, cioè le interazioni tra gli organismi viventi e il loro ambiente abiotico) e lo studio dell'evoluzione

CITOLOGIA: studio della cellula

ISTOLOGIA: studio dei tessuti e degli organi

EMBRIOLOGIA: studio dello sviluppo embrionale

Zaccheo, PestarinoCitologia, Istologia e

Anatomia Microscopica

Pearson

TESTO CONSIGLIATOCitologia ed istologia

LewinCelluleZanichelli

L.P. Gartner, J.L.Hiatt, Istologia, Edises.

TESTI DI CONSULTAZIONE:

BIOLOGIA CELLULARE

ANGELINI F et al. Biologia della cellula, Edi-Ermes

ALBERTS et al “Biologia Molecolare della Cellula”, Zanichelli

DARNELL, LODISH e BALTIMORE “Biologia molecolare della cellula”, Zanichelli

KARP G., “Biologia molecolare e cellulare”, EdiSES

WOLFE, S.L. “Biologia Cellulare e molecolare”, EdiSES

WOLFE, S.L. “Introduzione alla Biologia Cellulare e Molecolare”, EdiSES

COOPER. “La cellula, un approccio molecolare”, Zanichelli

ROSATI, COLOMBO, “La Cellula” “I Tessuti”, Edi-Ermes

ISTOLOGIA

ANGELINI F et al. Biologia dei tessuti, Edi-Ermes

BERGMAN, RA., AFIFI, A.K. e HEIDGER P.M., “Istologia”, EdiSES

BLOOM, W. FAWCETT, D., “Trattato di Istologia”, Piccin

JUNQUEIRA, CARNEIRO e KELLEY, “Compendio dl Istologia”, Piccin

MOLINARO et al. “Istologia di V.Monesi”, Piccin

WEISS, L e GREEP, R.Q., “Istologia”, Zanichelli

GARTNER, HIATT, “Istologia”, EdiSES

FIEDLER, LIEDER, “Atlante illustrato di Istologia”, Muzzio

KUHNEL “Atlante di Citologia e Anatomia Microscopica”, Ambrosiana

KRSTIC “I Tessuti dell'Uomo e dei Mammiferi, un Atlante per gli Studi Medici e Biologici” Masson

S0B0TTA, HAMMARSTEN, “Istologia”, USES

STEVENS, LOWE, “Istologia”, Ambrosiana

BURKITT, YOUNG e HEATH, Wheater “Istologia e anatomia microscopica, testo atlante”, Ambrosiana

Andreuccetti, Carnevali, Dini, Falugi,Filosa, Kalthoff, Viscuso

Biologia dello sviluppoMcGraw-Hill

TESTO CONSIGLIATOEmbriologia

Testi di consultazione

Le Moigne, Foucrier BIOLOGIA DELLO SVILUPPO - EdiSES

Gilbert BIOLOGIA DELLO SVILUPPO – Zanichelli

Houillon EMBRIOLOGIA DEI VERTEBRATI - Ambrosiana

Riviste divulgative in italiano

Riviste scientifiche in inglese

• video

CELLULEUnità strutturali e funzionali di tutti

gli organismi viventi

Diversità cellulare

LA TEORIA CELLULARE

• Tutti gli organismi consistono di una o più cellule (Schwann 1839)

• La cellula è l’unità di base della struttura di tutti gli organismi (Schwann 1839)

• Tutte le cellule originano da cellule preesistenti (Virchow 1855)

Lo sviluppo della teoria cellulare moderna• Comporta l’integrazione di tre linee diverse in un’unica scienza, ciascuna con una

distinta origine storica

– La biochimica• Studio della chimica e delle funzioni delle strutture biologiche• Comprensione dei processi metabolici mediante lo sviluppo di:

– Tecniche per la separazione di componenti cellulari e molecolari (frazionamento subcellulare, ultracentrifugazione, cromatografia, elettroforesi)

– Tecniche per lo studio delle reazioni enzimatiche (uso di composti marcati con la radioattività ecc.)

– La genetica• Si focalizza sul flusso dell’informazione

• Dimostrazione che il DNA è il portatore dell’informazione genetica in grado di determinare l’ordine degli elementi di base delle proteine e, quindi, le funzioni e le caratteristiche strutturali delle cellule stesse

– La citologia• Studio della struttura cellulare, sfruttando soprattutto le tecniche

basate sull’ottica

• La maggior parte delle integrazioni è avvenuta negli ultimi 75 anni

Dimensioni cellulari

Origine della citologia

•L’origine e il progredire dello studio della cellula è strettamente connesso allo sviluppo di strumenti e di metodiche sempre più potenti che hanno consentito di osservare la cellula e gli organelli in essi contenuti.•L’origine dela citologia risale alla fine del 1500 con l’invenzione del microscopio ottico composto ad opera di Zacharias Jansenn.

Primi microscopi•Nel 1665 Robert Hook esaminò al microscopio la sezione di un sughero osservando una struttura costituita da tante piccole camere, in latino cellule.•Antoni van Leeuwenhoek grazie a sistemi di ingrandimenti di sua invenzione (microscopio ottico semplice) individuò dapprima i protozoi(1674) e successivamente i batteri(1683).

Prime osservazioni degli organelli•Robert Brownnel 1833 studiando in vivo le cellule di un’orchidea osservava al loro interno un globulo centrale che chiamò nocciolo, in latino nucleo.

•1838 – Matthias Schleiden Giunse alla conclusione che tutti i tessuti delle piante erano costituiti da cellule e che una pianta embrionale nasceva sempre da una singola cellula – Teoria presto estesa agli animali (Scwann, 1839)

•1857 –Albert von Kölliker descrive i mitocondri nelle cellule muscolari.

…ma occorsero più di due secoli dalle prime osservazioni perché gli studiosi di scienze naturali riuscissero ad andare al di là delle pure e semplici ossrvazioni e comprendessero la reale importanza delle cellule per gli esseri viventi

….successivamente Rudolf Virchof (1855) formulano la teoria cellulare che afferma:•tutti gli organismi consistono di una o più cellule;•la cellula è la più piccola entità vivente identificabile ed autonoma;•tutte le cellule derivano da cellule preesistenti.

Nel 1850 Schulze definisce la cellula:Particella microscopica elementare della sostanza vivente, -costituita da una massa mucillaginosa contrattile, -ben delimitata,-non miscibile con acqua, -che contiene un corpicciattolodetto“nucleo”.

ECCEZIONI ALLA TEORIA

1)Non tutte le cellule sono microscopiche (cellule uovo)2)La materia vivente non è fatta solo di cellule: tessuti con elementi extracellulari (t.connettivo)3)Non vi è sempre un solo nucleo: Sincizi e plasmodi (t.muscolare scheletrico)4)Virus: organismi viventi non cellulari5)Autonomia cellulare non è assoluta:

a) interazioni tra celluleb)inibizione da contatto

Oocita: cellula uovo umana200 μM

Unità e diversità delle cellule

• E’ stato stimato che le specie viventi sul nostro pianeta siano almeno dieci milioni, forse cento.

• Le cellule di tutte queste specie (batteri, farfalle, rose e delfini) che cosa hanno in comune e in cosa differiscono?

PROCARIOTI E EUCARIOTI

Eubatteri Archeobatteri

Batteri Metanobatterie Alobatteri

Cianobatteri SolfobatteriTermoacidi

Rimanenti forme di vita

Due classi di cellule fondamentalmente diverse

Sopravvivono in condizioni estreme (metanofili, alofili e

termofili)

La massima diversificazione cellulare si riscontra tra i

PROCARIOTI

La massima specializzazione cellulare è mostrata dagli eucarioti

procariote

eucariote

cellula eucariotica

Caratteristiche comuni tra procarioti ed eucarioti

• Linguaggio genetico identico (informazione genetica codificata dal DNA che usa lo stesso codice genetico)

• Meccanismi simili per la trascrizione e la traduzione dell’informazione genetica (inclusi i ribosomi)

• Vie metaboliche condivise (es. glicolisi e ciclo degli ATC)

• Meccanismi simili di fotosintesi

• Simile apparato per la conservazione dell’energia chimica sotto forma di ATP, con una diversa localizzazione

• Entrambi i tipi cellulari sono delimitati da membrana plasmatica, di struttura simile, che li separa e protegge dal mondo circostante

Le cellule eucarioti sono più complesse:

• Le cellule eucarioti possiedono un nucleo delimitato da membrana (eucariote da eu: vero e carion: nucleo)

• Il DNA degli eucarioti è strettamente associato a proteine mentre quello dei procarioti è “nudo” (molecola circolare)

• Le cellule eucarioti si dividono per “mitosi”, la maggior parte dei batteri si divide per scissione binaria

• Il citoplasma delle cellule eucarioti contiene una serie di strutture diverse:

- non delimitati da membrana

(tubuli e filamenti del citoscheletro, ecc.)

- delimitati da membrane

(mitocondri, reticolo endoplasmatico, Golgi ecc)

Forme e dimensioni di alcuni batteri

“Forma e dimensione delle cellule sono

collegate alle loro funzioni”

• Alcune cellule, come l’ameba ed il globulo bianco,

possono cambiare forma quando si muovono

• Le cellule spermatiche possiedono lunghe code a

forma di frusta (flagelli)

• Le cellule nervose possiedono estensioni sottili

anche molto lunghe (anche un metro)

• Le cellule epiteliali hanno forma quasi rettangolare

e sono impilate come mattoni per formare

strutture lamellari

Le dimensioni cellulari hanno un limite

Perché la maggior parte delle cellule è così piccola?

Man mano che la cellula si ingrandisce, il suo volume aumenta in misura maggiore rispetto all’area della superficie

-Unicellulari e pluricellulari,-Presenza di organelliintracellulari, -riproduzione sia asessuata che sessuata

LisosomaMitocondrioPerossisomaGolgiReticolo EndoplasmaticoNucleoCitoplasmaCitosol

NUCLEO

•Organello cellulare

più grande•Involucro Nucleare

(doppia membrana)•Racchiude il DNA

NUCLEOLO

•Regione del nucleo •Organizzatori dei

ribosomi•Anche più di uno

per nucleo

RIBOSOMI•Citoplasmatici•Assemblatinelnucleo•Compostida:•Proteine60%•RNA ribosomiale40%•Sitodellasintesidelleproteine•Poliribosomio polisomi

CITOSCHELETRO•Rete di fibre che si spande in tutto il citoplasma•Supporto cellulare e movimento•3 componenti principali:•Microfilamenti•Proteine globulari (actina) supporto e contrazione cellulare•Filamenti intermedi•Proteine fibrose (cheratine),supporto•Microtubuli•proteine globulari (tubulina), supporto e motilitàSistema di Endomembrane

Le membrane degli organelli cellulari sono in relazione le une con le altre1.Involucro nucleare2.Reticolo endoplasmatico3.Vescicole di trasporto4.Apparato del Golgi5.Lisosomi6.Vacuoli7.Membrana plasmatica

MITOCONDRI•Organelli con una doppia membrana ed un proprio DNA•Sia in cellule animali che in cellule vegetali•Organelli deputati alla respirazione cellulare•Processo catabolico, esoergonico aerobico•Energia estratta da macro-molecole organiche (es.: Glucosio) per produrre ATP

CLOROPLASTI•Organelli con una doppia membrana ed un proprio DNA•Solo in cellule vegetali•Organelli deputati alla fotosintesi•Processo anabolico, endoergonico, anaerobico•Energia luminosa ed acqua convertite in macro-molecole organiche, Glucosio

Funghi: Lieviti, muffe …

Eucarioti: Animali, piante, funghi e altri organismi semplici (es.: protisti)

Evoluzione cellulareTutte le cellule derivano da un progenitore comuneGli eucarioti si sono evoluti dai procarioti circa 1,5

miliardi di anni faDiverse teorie proposte

Teorie sull’evoluzionedegli eucarioti-Teoria della fusione-Teoria dell’inglobamentoo dell’endosimbionte

TEORIA DELL’ENDOSIMBIONTE•Endosimbiosi•Due organismi che vivono in stretta collaborazione, uno all’interno dell’altro, traendone reciproco vantaggio•Movimento di piccoliprocarioti autotrofi (cloroplasti) o eterotrofi(mitocondri) all’interno di cellule procariotiche più grandi

Cellula ospiteDNACianobatterioMitocondrioCloroplastoNucleoProcariota aerobico

TEORIA DELL’INVAGINAZIONEL’invaginazione della membrana plasmatica dei procarioti ha

dato origine agli organelli intra-cellulari ed al sistema di endo-membrane

Le dimensioni delle cellule e dei

loro componenti

Micrometro e nanometro

(mm) (nm)

1 mm = 10-6 m

1 nm = 10-9 m

Il microscopio

ElettronicoOttico

Utilizzato per studiare cellule colorate o vive

Permette di ottenere immagini ad alta risoluzione che possono essere ingrandite enormemente

Limite di risoluzione ~ 0,17 mmPotere di risoluzione

~ 500 volte superiore a quello dell’occhio umano

Potere di ingrandimento1000-1500 volte

Limite di risoluzione 0,1-0,2 nmPotere di risoluzione

~ 100 volte superiore a quello del microscopio ottico

Potere di ingrandimento250 000 volte

“Potere” e “limite” di risoluzione

• Il limite di risoluzione indica quanto distanti possono essere due oggetti perché essi possano essere distinti come entità separate.

• Minore è il limite di risoluzione maggiore è il potere di risoluzione.

• Il limite di risoluzione diminuisce con il diminuire della lunghezza d’onda (l) fino ad un massimo di l/2.

• Utilizzando sorgenti con “l“ minore si può diminuire il limite di risoluzione migliorando il potere di risoluzione

La luce visibile utilizzata dal MO ha lunghezza d’onda (l) compresa tra 400 (violetto) -700 (rosso) nm. Quindi, per la luce visibile si può ipotizzare un Limite di Risoluzione compreso tra 200 e 350 nm.

La lunghezza d’onda degli elettroni è di molto inferiore a quella della luce. Quindi, il Limite di Risoluzione si abbassa notevolmente fino al valore di 0,1 – 0,2 nm.

Un fascio di luce (MO), o di elettroni (ME), viene diretto da lenti condensatriciattraverso il campione che viene ingrandito dalle lenti dell’obiettivo edell’oculare nel caso del MO, oppure dalle lenti dell’obiettivo e dalle lentiproiettori nel caso del TEM.

Le lenti del microscopio elettronico sono in realtà dei magneti in grado dipiegare il fascio degli elettroni.

Nel TEM gli elettroni vengono trasmessi attraverso il campione.

Il SEM effettua una scansione sulla superficie del campione e forma le immagini mediante la rilevazione degli elettroni che vengono deflessi dalla superficie

del campione stesso.

Gli agenti che invadono le cellule (virus, viroidi, prioni)

• Virus (20-400 nm)

– Parassiti intracellulari incapaci di vita propria

– Agenti molto infettivi

– Anche utili strumenti di laboratorio per biologi molecolari e genetisti

Gli agenti che invadono le cellule

Viroidi

Agenti infettivi ancora più piccoli dei virus Costituiti da piccole moelcole corte di RNA (250-

400 nucl) in forma condensata senza capside Si localizza nel nucleo della cellula ospite ed

interferisce con la regolazione genica

Prioni Particella proteica infettiva

Proteine anomale derivate da normali geni cellulari

LEZIONI: MARTEDI, MERCOLEDI, GIOVEDì 9.00-11.00Esercitazioni: Dicembre- Gennaio(Orario e giorni in via di definizione)

Gli esami sono di regola orali ma…SOLO PER CHI FREQUENTA

ed al PRIMO APPELLOL’esame è scritto ed è diviso in due

parti (due esoneri)citologia: a dicembre –istologia ed

embriologia: a fine corso