Programma dettagliato per la valutazione in itinere di Biologia di

Programma dettagliato per la valutazione in itinere di Biologia di giovedì 8/1/2015, ore 14-18, aula D
1 - Aspetti generali comuni agli esseri viventi. La vita come sistema chimico organizzato. Legame pigreco e stati di ibridazione negli atomi dei viventi. Organizzazione della materia vivente. Ruolo di
informazione e catalisi. Energia libera ed entropia nei sistemi viventi. La molecola di ATP. Il legame
peptidico e le molteplici funzioni delle proteine. Ruolo dell’entropia nelle interazioni tra le
macromolecole biologiche. Ipotesi sull’origine della vita. Evoluzione chimica e biologica. Esperimenti
di Miller. Formazione abiotica di molecole biologiche e del brodo primordiale. Possibilità di
formazione di biomolecole al di fuori del nostro Pianeta. Da evoluzione chimica ad evoluzione
biologica.
2 - Formazione di macromolecole per reazioni di condensazione. Possibile ruolo di molecole
autoduplicanti nell’evoluzione della vita. Possibile meccanismo di formazione di membrane cellulari e
di protobionti. Il problema osmotico, il problema dell’acidificazione ed il problema energetico.
Evoluzione di funzioni molecolari complesse per adattamento di strutture preesistenti. Stromatoliti e
strati di ossidi di ferro, fotosintesi e respirazione. Cenni sulle reti biologiche e sulle loro proprietà. La
systems biology. I network delle interazioni molecolari nella cellula. Moduli funzionali. Ruolo dei link
nelle reti biologiche. Emergenza del fenomeno vita e formazione di reti complesse. Nodi e link.
Proprietà generali delle reti. Reazioni delle reti a perdite di nodi e a variazioni del numero dei link.
Importanza dei legami deboli nella formazione delle reti. Gli hub sono nodi grandemente collegati.
Sistemi biologici come rete complessa ad alta interconnettività. Robustezza delle reti biologiche nei
confronti di perdita di nodi, alta vulnerabilità legata ad alterazione degli hub.
Cenni sui virus come parassiti genetici e loro possibile ruolo nell’evoluzione. Specificità dei virus.
Ciclo litico e ciclo lisogenico. Virus a DNA e retrovirus ad RNA. Cenni sulla moltiplicazione di virus
nelle cellule. Endogenizzazione dei virus nelle cellule eucarioti ed elementi trasponibili. Problemi etici
e rischi nell’uso di biotecnologie sui virus.
3 - Modelli cellulari procarioti ed ipotesi sull’origine della cellula eucariote. Il genoma degli eucarioti
come chimera con genomi di Eubatteri ed Archea. Ipotesi sull’origine del nucleo e del reticolo
endoplasmatico. Gli organismi del pre-Cambriano. Il periodo Cambriano e l’evoluzione di organismi
pluricellulari dotati di strutture mineralizzate. Ruolo fondamentale dei geni Hox. Ricchezza di piani
anatomici nei fossili di Burgess. Estinzione di organismi. Il genoma umano. Cenni sull’evoluzione del
genere Homo. Dai parenti più prossimi alla formazione dell’uomo moderno. Tracce nel genoma della
nostra storia evolutiva. Duplicazione genica e peculiare sviluppo del cervello umano. Ruolo dei
retrotrasposoni nell'evoluzione dell'uomo. Aspetti generali dei modelli cellulari Eucarioti e Procarioti.
Le tre categorie di viventi, Eubatteri, Archea ed Eucarioti. Differenze nella composizione delle
membrane cellulari e nella glicosilazione tra Archea, Eubatteri ed Eucarioti. Adattamento genomico
come scelta evolutiva degli Archea. Modalità di organizzazione a nucleosomi del DNA negli Archea e
negli eucarioti. Il ciclo cellulare degli Archea. La strategia evolutiva degli Eubatteri e degli Archea,
ruolo delle mutazioni e degli scambi orizzontali di DNA. Il modello cellulare degli Eubatteri e le loro
straordinarie capacità di crescita e di adattamento. Parete cellulare e capsula. Organizzazione in
operon del cromosoma circolare dei batteri. Plasmidi. Scambi orizzontali di DNA per trasformazione,
coniugazione e traduzione. Il microbioma e le sue implicazioni per la salute umana. Confronto tra
l’evoluzione dei batteri e quella degli eucarioti. Le spore come strategia di sopravvivenza in ambienti
ostili. Adattamenti speciali dei procarioti e resistenza alle radiazioni ionizzanti.
4 - Ruolo biologico della molecola di ATP. Composizione e struttura degli acidi nucleici RNA e DNA.
Ruolo del desossiribosio nella stabilità del DNA e del ribosio nella instabilità dell’RNA. DNA con
struttura di tipo A, B e Z. La molecola d’acqua ed il ruolo delle interazioni deboli. Il legame peptidico
ed il suo ruolo nelle funzioni delle proteine. Amminoacidi e struttura primaria, secondaria, terziaria e
quaternaria delle proteine. Ruolo dell’entropia nella formazione di strutture quaternarie. Funzione
delle proteine. Motivi e domini. Trasferimenti genici da procarioti ad eucarioti. Inserimento di introni e
duplicazione genica. Organizzazione del genoma umano in domini topologici. Trasposoni e
retrotrasposoni.
5 - Nucleo e cromatina. Ruolo degli istoni nella formazione della cromatina. Classi di istoni e loro
ruolo nella organizzazione dei nucleosomi. Variabilità della posizione e della composizione dei
nucleosomi. Eucromatina ed eterocromatina. Domini topologici. Modificazioni post-traduzionali degli
istoni e regolazione della struttura della cromatina. Modellatori della cromatina ATP-dipendenti.
Eredità epigenetica e controllo dell’espressione genica. Le principali modificazioni epigenetiche.
Memoria epigenetica. Effetti dello stress sul genoma. Elementi trasponibili e loro regolazione. I pori
della membrana nucleare. Ruolo dei pori nell'organizzazione della cromatina e cromatina. Scambi tra
nucleo e citoplasma. Regolazione dell’apertura e chiusura della cromatina. Ruolo della cromatina
nelle cellule staminali embrionali e dell’adulto. Cellule staminali indotte e regolazione dell’apertura
della cromatina. Riprogrammazione cellulare e prospettive future. Le cellule staminali oggi nella
prospettiva della medicina rigenerativa e personalizzata.
6 – Organizzazione del genoma dei batteri. L’operon come unità trascrizionale con un unico
promotore. La RNA polimerasi dei batteri, stadio lento e stadio veloce. Regolazione della fine della
trascrizione. Trascrizione di mRNA poligenici e traduzione quasi simultanea alla trascrizione. Operon
del Triptofano come esempio di regolazione negativa. Operon Lac come esempio di regolazione
positiva e negativa. Importanza delle costanti di affinità nella regolazione degli operon. Struttura
generale del gene e sua distribuzione nei cromosomi umani. Organizzazione dei cromosomi nel
nucleo, i territori dei cromosomi. Cenni sul progetto Encode. Confronto tra la strategia evolutiva di
Procarioti ed Eucarioti. I vari tipi di DNA satellite e la loro distribuzione nel genoma umano. Sequenze
SINE e LINE ed ipotesi sulla loro origine e distribuzione. I vari tipi di RNA con indicazione delle loro
funzioni della cellula. Il meccanismo generale della trascrizione ed i vari tipi di RNA polimerasi. Ruolo
dei promotori. Complessi di proteine di regolazione e loro ruolo nella trascrizione degli Eucarioti.
Stabilità del complesso di proteine di regolazione e suo ruolo nella trascrizione. Ruolo della
cromatina e dei nucleosomi nella trascrizione.
7 – Meccanismi di protezione degli RNA nel nucleo. RNA polimerasi I, sintesi degli rRNA. Il modulo
funzionale per il ribosoma. Assemblaggio di ribosomi nel nucleolo. La RNA polimerasi III e la sintesi
di tanti piccoli RNA. Struttura e funzione della molecola di tRNA. La reazione della RNA polimerasi II
e la sintesi dei grandi RNA. Complessi di fattori di fattori di trascrizione ed interazione delle RNA
polimerasi con i promotori. La molecola di mRNA degli eucarioti, ruolo del cap in 3’, della coda di poliA in 5’ e delle sequenze UTR al 5’ e al 3’ degli mRNA. Ruolo della coesina nella regolazione della
trascrizione nei domini topologici della cromatina. Interazione tra membrana nucleare, pori e
cromatina nelle cellule differenziate e nelle staminali. Il meccanismo dello splicing. Importanza dello
splicing alternativo. Il processo di splicing ed il suo ruolo nella maturazione di mRNA nella cellula
Eucariote. Formazione dello spliceosoma. Importanza biologica dello splicing alternativo. Ruolo della
cromatina e della RNA polimerasi nella regolazione dello splicing. Siti di splicing forti e deboli. Esoni
e sequenze UTR nell’RNAm. Formazione dello spliceosoma dall’unione delle varie RNP U1-6.
Efficienza del processo di splicing. Il processo di editing di mRNA nel nucleo. Meccanismi di
esportazione degli RNA dal nucleo. I complessi del poro della membrana nucleare. Struttura variabile
e ruolo delle nucleoporine NUP. Vari tipi di meccanismi per il trasporto dentro e fuori dal nucleo.
Ruolo di enzimi della grande famiglia di GTPasi. Differenze tra mRNA di eucarioti e batteri.
Trascrizione del genoma eucariote e ruolo degli RNA non codificanti miRNA, siRNA e lncRNA. I vari
tipi di trascritti della RNA polimerasi III e la loro maturazione. Importanza dei lncRNA nella
regolazione della trascrizione e della struttura della cromatina. Vari esempi di meccanismi d’azione di
lncRNA. Gli exosomi ed la degradazione degli RNA. Le RNA elicasi. Angiotenina (ANG) e formazione
di piRNA. Il codice genetico e le sue proprietà. Il caso degli amminoacidi arginina e lisina. La
reazione delle amminoacil-tTNA sintetasi. Struttura e funzione del ribosoma di eucarioti e procarioti.
Trasporto delle subunità ribosomali dal nucleo al citoplasma. L’assemblaggio del ribosoma sulla
molecola di mRNA. Differenze tra eucarioti e procarioti. Ruolo delle sequenze di Shine e Dalgarno
nella molecola di mRNA dei batteri. Il controllo della traduzione. Il meccanismo della traduzione.
Ruolo di enzimi della grande famiglia di GTPasi.
8 – Il citosol cellulare ed il controllo della traduzione. Il progetto proteoma umano. Modificazioni posttraduzionali delle proteine. Meccanismi di degradazione delle proteine danneggiate o non funzionanti.
Chaperon (proteine hsp) e riconoscimento di proteine mal avvolte. Lo stato di molten globule delle
proteine. Molteplici ruoli biologici della proteina ubiquitina. Enzimi coinvolti nelle reazioni di
ubiquitinazione. Il proteasoma. Sintesi proteica nel citosol e destino post-sintetico delle proteine.
Ruolo di sequenze segnale per smistare le proteine. Trasporto di proteine in nucleo, mitocondri e
perossisomi. Il reticolo endoplasmatico rugoso (RER). Particelle SRP. Tipi di proteine sintetizzate nel
RER. La sintesi delle varie tipologie di proteine di membrana. Dolicolo e glicosilazione di proteine nel
RER. Le proteine BiP. Formazione di ponti S-S e ruolo dell’enzima Proteina Disolfuro Isomerasi (PDI)
nel RER. Ruolo biologico della molecola di glutatione. Eliminazione dal RER delle proteine mal
avvolte. La gemmazione di vescicole ed il traffico di membrana tra RER, Golgi e membrana cellulare.
Ruolo delle proteine COP e della clatrina. Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) ed il suo ruolo
nell’accumulo di ioni calcio e nella sintesi di lipidi. Meccanismo di flip-flop e formazione
dell’asimmetria della distribuzione dei lipidi nelle membrane. Il REL ed il suo ruolo nella fase I della
detossificazione. Caratteristiche generali degli enzimi di detossificazione di fase I e fase II. La
famiglia delle proteine con il citocromo P450. La fase III della detossificazione e l’escrezione delle
molecole tossiche coniugate. Ruolo biologico dell’Apparato di Golgi. Traffico di vescicole dal reticolo
endoplasmatico verso l’Apparato di Golgi e tra i compartimenti cis, mediale, trans, e dalla zona TGN
verso la membrana cellulare o gli endolisosomi. Sequenze KDEL e traffico retrogrado dal Golgi al
reticolo endoplasmatico. Modificazione e smistamento di proteine nell’Apparato di Golgi. Secrezione
costitutiva e secrezione regolata. Glicosilazione di proteine nel Golgi. Ruolo della fosforilazione del
mannosio degli enzimi lisosomali nella zona cis del Golgi. Biogenesi dei lisosomi. Componenti
strutturali della membrana dei lisosomi. Ruolo biologico dei lisosomi. Peculiarità degli enzimi
lisosomali. Lisosomi primari, secondari e terziari. Digestione lisosomale dentro e fuori la cellula.
Importanza dei lisosomi nel sistema immunitario. Ruolo dei lisosomi nella xenofagia, mitofagia ed
autofagia. Patologie lisosomali. Cenni su quanto spiegato nel corso dell’attività integrativa.
9 – La duplicazione del DNA e le DNA polimerasi in eucarioti e procarioti. Unica direzione di sintesi.
Complesso di inizio. Ruolo delle RNA primasi, della DNA polimerasi, delle Elicasi, delle
Topoisomerasi, delle Ligasi, delle Telomerasi e delle proteine ssB. La regolazione della lunghezza
dei telomeri con la telomerasi o con il complesso ALT. La reazione della telomerasi. Il complesso
shelterin. Il signalling dei telomeri. Regolazione della lunghezza dei telomeri durante lo sviluppo
embrionale. Lunghezza dei telomeri ed insorgenza di patologie ed invecchiamento cellulare.
Duplicazione del DNA nei batteri. Duplicazione della cromatina. I vari tipi di danno al DNA ed i
principali meccanismi di riparazione. Importanza della diploidia nella riparazione del danno ad
ambedue le eliche. Dinamica della cromatina durante la replicazione del DNA. La coesina.
Modificazione della cromatina per riparare il DNA. Patologie dovute a difetti del meccanismo di
riparazione del DNA.
10 - Il ciclo cellulare ed i meccanismi di controllo. Significato delle fasi G1, G0, Gz, S, G2. Ruolo delle
cicline e degli enzimi cdk nella regolazione del ciclo cellulare. La proteina Rb. Il processo di divisione
cellulare per mitosi. Le varie fasi della mitosi. Il nucleosoma centromerico. Dineina e kinesina nella
formazione del fuso e nella migrazione dei cromatidi. Cenni sulla citodieresi. Differenze tra mitosi e
meiosi. Significato biologico del crossing over. La proteina P53.
Il processo di apoptosi come esecuzione di un programma genetico. Apoptosi come e quando.
Meccanismi dell’apoptosi. Enzimi dell'apoptosi, caspasi e CAD. Ruolo dei mitocondri nel processo
apoptotico. Necrosi casuale e necrosi programmata. Autofagia. Origine degli autofagosomi. I vari tipi
di morte cellulare.
Metabolismo, catabolismo ed anabolismo. Cenni di catalisi enzimatica e dei meccanismi di
regolazione dell’attività degli enzimi. Equazione di velocità e significato di Vmax e Km. Enzimi a
bassa Km all’inizio delle vie metaboliche: il caso della glicolisi. Regolazione del flusso nelle
biforcazioni delle vie metaboliche mediante enzimi a comportamento allosterico: il caso della
fosfofruttokinasi. La complessa regolazione allosterica della ribonucleotide reduttasi. La molecola di
ossigeno e la formazione di ROS. Meccanismi di difesa antiossidante.
11 – Cenni sui Perossisomi e sul loro ruolo nel metabolismo cellulare. Biogenesi dei perossisomi.
Origine evolutiva dei mitocondri. L'organizzazione del DNA mitocondriale. Cenni su duplicazione,
trascrizione e traduzione mitocondriali. Patologie mitocondriali. Eredità mitocondriale, omoplasmia ed
eteroplasmia. Colonizzazione dell’embrione da parte dei mitocondri della cellula uovo. Struttura e
funzione dei mitocondri. Cenni su glicolisi, ciclo di Krebs e catena respiratoria. La matrice
mitocondriale ed il ciclo di Krebs. Creste mitocondriali e catena respiratoria. Ruolo del gradiente di
protoni nella formazione di ATP e negli scambi tra il mitocondrio e la cellula che lo contiene. Forza
proton-motrice e formazione di ATP. La regolazione dell’apertura del poro mitocondriale ed il rilascio
di proteine pro-apoptotiche. Comunicazione tra nucleo e mitocondrio.
12 - Cellule staminali totipotenti, pluripotenti, multipotenti e unipotenti. La divisione cellulare nelle
cellule staminali. Metabolismo delle cellule staminali. I mitocondri delle cellule staminali. Fattori di
trascrizione (ad esempio Oct4 e Nanog) ed organizzazione della cromatina nelle cellule staminali
embrionali e nelle staminali indotte. Stato epigenetico della cromatina nelle cellule staminali
embrionali. Ottenimento di cellule staminali da riprogrammazione di cellule somatiche, da
trasferimento nucleare, da fusione cellulare. Cellule staminali e miRNA. Cellule staminali e cancro.
Applicazioni potenziali delle cellule staminali indotte. Problemi nell'impiego di cellule staminali.
Riprogrammazione di cellule differenziale.
13 - Il programma genetico di senescenza. Invecchiamento e durata di vita in natura e nei mammiferi.
L'esempio dei ratti talpa. Ruolo del metabolismo nella regolazione della durata di vita. Mitocondri e
senescenza. Il ciclo cellulare nelle cellule senescenti. Cellule staminali e senescenza. Modificazioni
della cromatina e senescenza. Proteine della lamina nucleare, senescenza e patologie. La
metilazione come orologio biologico della cellula. Deriva epigenetica. Stress e senescenza.
Senescenza e signalling cellulare, ruolo della secrezione di SASP. La senescenza nello sviluppo
embrionale e nel rimodellamento dei tessuti. Senescenza e sistema immunitario.
14 - Modalità di comunicazione tra cellule dell’organismo pluricellulare. Vantaggi e svantaggi della
comunicazione elettrica e chimica. Comunicazione diretta, endocrina, sinaptica, paracrina e
autocrina. Importanza dei valori delle costanti di affinità con il recettore nella comunicazione sinaptica
ed endocrina. Esempi di possibili recettori di membrana e di recettori citoplasmatici. Molecole
segnale e composti che possono interferire con la loro azione: agonisti ed antagonisti. Gli endocrine
disruptors. Recettori a risposta amplificata. Principali meccanismi di trasduzione del segnale. Ruolo
delle proteine GTP-leganti. Recettori a protein kinasi e recettori G-linked. Generazione di secondi
messaggeri tramite adenilato ciclasi e fosfolipasi C. Importanza delle fosfatasi. Comunicazione
cellulare mediante esosomi. Sintesi e rilascio di esosomi. Ruolo dei complessi ESCRT. Il contenuto
degli esosomi. I target degli esosomi. Esosomi in fisiologia e patologia.
15 - Meiosi nelle cellule germinali maschili e femminili. Attivazione del programma genetico della
meiosi. Cenni sui meccanismi della ricombinazione. Il gamete femminile e le mutazioni genomiche. Il
gamete maschile e le mutazioni geniche. Riorganizzazione della cromatina nello spermatozoo, ruolo
delle protammine. Ruolo dei piRNA nella formazione degli spermatozoi. Il posizionamento del fuso
meiotico per formare la cellula uovo. Le proteine ZP della zona pellucida. Fecondazione e formazione
dello zigote. Interazione tra i gameti maschile e femminile, ruolo della proteina Izumo e dei recettori
Juno. Cenni sul ruolo degli ioni Ca++ nella meiosi e nella fecondazione. Ricostituzione della
cromatina dello spermatozoo. Riprogrammazione della cromatina maschile e femminile per la
formazione dello zigote. Imprinting genomico. La formazione della morula. Attivazione del genoma
maschile e formazione della blastula. Riprogrammazione epigenetica nello sviluppo embrionale.
Differente regolazione dell’espressione genica nei maschi e nelle femmine. Riproduzione degli
organismi viventi (asessuale e sessuale). Origine del sesso e sua importanza nell’evoluzione degli
organismi. Ipotesi della regina rossa. Evoluzione, selezione e successo riproduttivo. Selezione
intraspecifica ed interspecifica. Investimento parentale e riproduzione. Ruolo delle modificazioni
epigenetiche nel comportamento riproduttivo delle arvicole. Conflitto di interessi e strategie evolutive
di eucarioti pluricellulari maschi e femmine. Ovulazione nascosta ed evoluzione della specie umana.
Effetto delle culture e caratteristiche comuni tipiche della specie umana. Differenze nell'espressione
genica e nelle cellule staminali tra maschi e femmine. Implicazioni biologiche del ruolo del
cromosoma X nello sviluppo e funzione del cervello.