Principi di biologia
Flavia Frabetti Tecnici di laboratorio 2010/2011
BIOLOGIA è la scienza della vita, che indaga le caratteristiche dei sistemi viventi
biologia cellulare
biologia animale biologia molecolare
La GENETICA
è la scienza che studia le leggi dell’ereditarietà, lo studio dei caratteri che vengono ereditati biologicamente,
inclusi quelli condizionati dall’ambiente Il significato etimologico ci riporta alla parola gene,
ed i geni sono l’oggetto molecolare di studio di questa disciplina
Che cosa rende una specie ciò che essa è?
Che cos’è che causa la variabilità interna ad una specie?
PROPRIETA’ COMUNI degli
ESSERI VIVENTI
riproduzione crescita e sviluppo morte
programma interno
ordine
reattività capacità di ASSUMERE, TRASFORMARE USARE
l’energia dell’ambiente esterno
adattamento
all’ambiente
omeostasi
TEMI TRASVERSALI FONDAMENTALI
IN
BIOLOGIA E GENETICA
1) gerarchia dell’organizzazione
2) correlazione tra struttura e funzione 3) ricerca della unità nella diversità 4) interazione tra organismi ed ambiente 5) la base cellulare della vita
6) l’ereditarietà della informazione genetica
atomo molecola
macromolecola organulo
cellula tessuto organo
sistema/apparato organismo
Dimensione
+
Organizzazione
+
1. GERARCHIA DELL’ORGANIZZAZIONE BIOLOGICA
L’organizzazione biologica si basa su una gerarchia di livelli
strutturali
ORGANIZZAZIONE GERARCHIA
DELLE STRUTTURE BIOLOGICHE
ORDINE
RELAZIONI reciproche/
INTERAZIONI Biologia dei SISTEMI
la scienza del XXI secolo
SYSTEM BIOLOGY o biologia dei sistemi
APPROCCIO TEORICO Modeling computazionale
APPROCCIO SPERIMENTALE Esperimenti che descrivano quantitativamente i processi cellulari nella loro globalità
Si tratta di studiare un organismo, e in particolare la cellula, osservandola come un network integrato e interagente di geni, proteine e reazioni
biochimiche che le danno la vita.
XXI secolo:
“il secolo della complessità”
La biologia dei sistemi
I concetti di base per conprendere i sistemi biologici complessi sono:
• proprietà emergenti
queste proprietà dei sistemi complessi non sono dimostrabili prendendo in considerazione le loro singole parti (non si può procedere con approccio riduzionista);
• robustezza
i sistemi biologici mantengono una stabilità fenotipica nonostante perturbazioni dell’ambiente, di eventi casuali e della variabilità genetica. Questo per merito di sistemi di controllo che interferiscono con i geni;
• modularità
può contribuire sia alla robustezza dell’intero sistema che alla evoluzione semplicemente collegando tra loro moduli diversi.
2. CORRELAZIONE TRA STRUTTURA e FUNZIONE ai vari livelli gerarchici
organismo
organulo
tessuto
molecola
cellula
Archea
Protista
Animalia Fungi
Plantae Bacteria
3. UNITA’ NELLA DIVERSITA’ 3 domini - 6 Regni si stimano 10x10 6 (o forse 100x10 6 ) specie viventi
ANTENATO COMUNE
3 6
Classificazione 1977: 6 REGNI
Albero filogenetico= rappresentazione schematica bidimensionale
che mostra le relazioni di discendenza comune tra gli organismi
appartenenti a gruppi diversi.
Come si procede a raggruppare gli organismi?
1) analisi di strutture anatomiche (anatomia ed embriologia comparata) 2) confronto molecolare di sequenze nucleotidiche e/o aminoacidiche
Alla ricerca di cosa?
Strutture omologhe (stessa origine/antenato) queste possono essere anche molto diverse pur conservando somiglianze che rendono conto della comune origine Diverso è il concetto di strutture analoghe (stesse funzioni), prodotto di convergenze funzionali che hanno dato strutture simili
La SISTEMATICA - strumenti
Analisi macroscopica della evoluzione:
confronto di strutture anatomiche
STRUTTURE OMOLOGHE:
variazioni di un comune schema anatomico,
elementi scheletrici
comuni
Analisi molecolare della evoluzione:
confronto di sequenza-informazione
Mezzo più diretto e più potente per determinare le relazioni evolutive
allineamento di sequenza a linea ento di seque za allin amento di se enza
H. sapiens
H. sapiens
H. sapiens
Analisi molecolare della evoluzione:
confronto di sequenza-informazione
Poiché il DNA può essere soggetto a variazioni casuali che si accumulano in lunghi periodi di tempo, il numero di differenze fra le sequenze può essere usato come indicazione diretta, oggettiva e quantitativa della distanza evolutiva.
Tassonomia molecolare
4. INTERAZIONE TRA ORGANISMI ED AMBIENTE NON ESISTE VITA NEL VUOTO
LA CELLULA E’ UN SISTEMA APERTO
l’informazione è interna alla cellula
CELLULA
1. mantenimento delle strutture
rifiuti
perdita di energia materia
energia
2. lavoro meccanico chimico elettrico
0.1-10 µm
10-100 µm
cellula PROCARIOTA cellula EUCARIOTA
5. BASE CELLULARE DELLA VITA
La cellula è l’unità strutturale e funzionale degli organismi viventi.
Struttura minima in grado di compiere tutte le attività minime della vita.
NUCLEO
1 µm= 1x10 -3 mm = 1x10 -6 m
Adulti pluricellulari diploidi (2n = 46) GONADI
MEIOSI
Gameti aploidi (n = 23)
FECONDAZIONE
Zigote diploide (2n = 46) Mitosi e
sviluppo CICLO
VITALE
LA VITA è AFFIDATA ALLE CELLULE formazione dei gameti ed incontro
PENETRAZIONE SPERMATOZOO: 15-20 MIN
SVILUPPO
I 4 processi essenziali tramite i quali l’embrione è costruito sono:
proliferazione cellulare interazioni cellulari movimento cellulare
specializzazione cellulare (differenziamento)
DIFFERENZIAMENTO
- Come si stabilisce un pattern di espressione genica - Come è reso stabile ed ereditabile
- Concetti di staminalità/ meccanismi di differenziamento
ACCRESCIMENTO
- Da cosa dipende l’accrescimento e la massa totale?
6. EREDITARIETA’ DELLA INFORMAZIONE BIOLOGICA
sono necessarie
INFORMAZIONI e ISTRUZIONI
ORDINE /
ORGANIZZAZIONE INFORMAZIONE
INFORMAZIONI CONSERVATE
TRASMESSE ESPRESSE
?
Come è organizzata l’INFORMAZIONE BIOLOGICA?
Le istruzioni biologiche sono:
il progetto interno della cellula contenute nel DNA
in sequenze specifiche di 4 “nucleotidi” diversi
A G T C
TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAA TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAA ATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTG ATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTG CGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCC CGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCC GAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGC GAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGC GCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTA GCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTA GAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCG GAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCG CGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCT CGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCT TAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCG TAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCG CTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCA CTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCA ATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCA ATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCA TGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTG TGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTG CATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGAC CATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGAC TGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCAC TGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCAC TACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAG TACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAG TCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACT TCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACT GCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGC GCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGC TCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGAT TCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGAT CAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATA CAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATA GGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTA GGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTA TTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGAT TTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGAT TACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCA TACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCA TCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCG TCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCG ATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATA ATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATA GGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAG GGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAG GCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCAT GCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCAT GCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCG GCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCG TATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGAT TATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGAT CTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGAT CTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGAT GCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCG GCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCG AGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTC AGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTC TAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATC TAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATC GAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAG GAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAG GCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACA GCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACA GAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCC GAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCC ATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCG ATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCG ATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCT ATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCT CGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCAT CGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCAT GACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCAT GACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCAT GACTGCATATGACGGACTCGCA
GACTGCATATGACGGACTCGCA
TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAA TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAA ATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTG ATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTG CGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCC CGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCC GAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGC GAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGC GCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTA GCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTA GAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCG GAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCG CGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCT CGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCT TAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCG TAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCG CTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCA CTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCA ATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCA ATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCA TGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTG TGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTG CATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGAC CATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGAC TGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCAC TGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCAC TACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAG TACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAG TCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACT TCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACT GCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGC GCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGC TCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGAT TCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGAT CAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATA CAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATA GGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTA GGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTA TTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGAT TTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGAT TACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCA TACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCA TCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCG TCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCG ATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATA ATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATA GGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAG GGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAG GCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCAT GCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCAT GCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCG GCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCG TATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGAT TATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGAT CTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGAT CTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGAT GCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCG GCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCG AGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTC AGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTC TAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGAT TAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGAT CGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTA CGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTA GGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTAC GGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTAC AGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCC AGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCC CATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATC CATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATC GATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGC GATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGC TCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCA TCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCA TGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCA TGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCA TGACTGCATATGACGGACTCGCA
TGACTGCATATGACGGACTCGCA
