1 Dietistica - vener.. - Dispense dei corsi

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OTTOBRE 2014
Venerdì 10, 9-11
Virus e Procarioti
Mercoledì 15, 8.30-10.30 Nucleo e cromatina (cap. 3 e 10)
Venerdì 17, 9-11
Trascrizione, traduzione, meccanismi di
segnalazione cellulare (cap. 4, 5 e 13)
Mercoledì 22, 8.30-10.30 Membrane biologiche (cap. 6 e 7)
Venerdì 24, 9-11
Mitocondri e metabolismo (cap. 8)
Mercoledì 29, 8.30-10.30 Ciclo cellulare e mitosi (cap. 12)
NOVEMBRE 2014
Mercoledì 5, 8.30-10.30 Cellule staminali
Mercoledì 19, 8.30-10.30 Meiosi e riproduzione (cap. 12)
DICEMBRE 2014
Mercoledì 3, 8.30-10.30
Trasmissione dei caratteri ereditari
(cap. 14)
Mercoledì 10, 8.30-10.30 Mutazioni e variabilità del genoma
(cap. 15)
Biologia
βίος λόγος
scienza a forte componente storica,
non formula leggi assolute ma
elabora teorie valide oggi, forse
confutabili domani
βίος = Vita = proprietà che un sistema chimico
manifesta quando raggiunge/supera un
determinato elevato livello di organizzazione
Un vivente è formato da atomi organizzati in
molecole … un insieme di molecole non è vivo
La vita scaturisce dalle modalità di interazione
delle molecole tra loro
I viventi condividono le stesse caratteristiche:
nascita, crescita, riproduzione, (e morte) sono
le più evidenti manifestazioni della vita
• L’evoluzione modifica gli organismi viventi
• Nuove specie discendono da specie più antiche
• La diversità dei viventi è enorme … quasi due milioni di specie
popolano la Terra
RNA
DNA
FUNZIONI DELLE PROTEINE:
• catalisi (enzimi)
• regolazione
• strutturale (es. citoscheletro)
• contrattile (movimento)
• trasferimento (pompe e canali)
• comunicazione (ormoni e recettori)
• difesa (anticorpi e tossine)
• deposito (proteine del “vitello”)
• trasporto (es. trasporto di lipidi)
protozoi, funghi,
piante, animali
I Procarioti (Eubatteri ed Archea), i più antichi esseri viventi,
presentano la maggiore diversità genetica e metabolica.
Possono essere sia aerobi che anaerobi, autotrofi o eterotrofi,
fotoautotrofi o fotoeterotrofi o chemiolitotrofi; possono ricavare
energia dalla ossidazione anaerobica del metano oppure dalla
ossidazione anaerobica dell’ammoniaca, …
Gli Archea sono perfettamente adattati ad ambienti
estremi che oggi sono sempre meno frequenti
Genoma dell’Archea
Methanococcus
Adattamento stabile da modificazione del DNA
Gli Archea hanno introni nel loro DNA circolare organizzato in
cromatina, nelle loro membrane sono presenti anche eteri ed
isoprenoidi e la loro parete cellulare è priva di peptidoglicani
Le loro proteine sono perfettamente specializzate a funzionare
in condizioni ambientali estreme, mantenendosi stabili ed attive
Eubatteri: hanno invece sviluppato meccanismi che consentono
di adattarsi a tutti gli ambienti, adattabili ma non adattati
Protein Adaptations in Archaeal Extremophiles – Archaea, 2013;2013:373275. Epub 2013
Sep 16 - Reed CJ, Lewis H, Trejo E, Winston V, Evilia C.
GLI ARCHEA SI SONO ADATTATI
A VIVERE IN AMBIENTI ESTREMI
CHE SONO SEMPRE MENO
FREQUENTI
IL LORO ADATTAMENTO CHIAMA
IN CAUSA MODIFICAZIONI DEL
DNA E QUINDI DEI GENI
Gran Lago Salato
(Utah)
Octopus Spring
(Yellowstone)
BASTONCELLO
FILAMENTI
BATTERI
Si conoscono tipi caratteristici
di aggregazione batterica:
diplococchi, batteri sferici
associati a due a due,
streptococchi, se sono disposti
a formare una catena,
stafilococchi, se formano
un grappolo.
SPIRILLI
SFERICA
VIBRIONI
EUBATTERI
Sono aploidi
Si dividono con grande rapidità
originando cloni identici
Possono essere suddivisi in
oltre 10 diversi phyla
Hanno un alto tasso di
mutazioni
Hanno una elevata velocità di
crescita
RIPRODUZIONE ASESSUATA
Nel battere, il
cromosoma circolare è
organizzato
in domini superavvolti:
• alcuni accessibili
per la trascrizione,
altri
• momentaneamente
inaccessibili
Circa il 98% del genoma circolare dei batteri è
codificante
I geni sono organizzati in sequenze lineari dette
operon, ogni operon è sotto il controllo di un singolo
promotore
I geni che codificano per piccoli RNA si trovano
insieme ad altri geni organizzati in operon
Le dimensioni dei vari operon non sono molto
diverse, per questo è sufficiente un unico tipo di
RNA polimerasi per la trascrizione di qualsiasi operon
La regolazione trascrizionale degli operon è affidata a
poche proteine
L’aumento di variabilità è affidato:
-nei Procarioti a scambi “orizzontali” di DNA
che aumentano le probabilità che convergano
in una stessa cellula più mutazioni favorevoli e
di disporre di nuove sequenze di DNA
- negli Eucarioti a scambi “verticali” di DNA che
viene rimescolato nel
corso della meiosi e
della riproduzione
sessuale con i gameti
Tra noi e loro c’è un abissale differenza nella
velocità di evoluzione:
Circa 350 generazioni ci separano da un uomo
vissuto all’epoca delle Piramidi
Per un battere 350 generazioni si hanno in una
sola settimana
Gut microbiota: Intestinal bacteria influence brain activity in healthy humans - Nature Reviews Gastroenterology &
Hepatology – News & Views - Volume 10 Issue 6 - Published online: 07 May 2013 - p326 - doi:10.1038/nrgastro.2013.76 Stephen M. Collins and Premsyl Bercik
Ci sono prove emergenti che indicano che il microbioma
intestinale può influenzare la chimica e lo sviluppo del
cervello ed il comportamento degli animali.
Fattore di fertilità F
Alcuni batteri saranno F+, altri F-
Batteriofago
(virus specifico
per i batteri)
I ricercatori del Progetto Microbioma Umano
stanno studiando gli abitanti microbici del
corpo umano, utilizzando campioni prelevati
da 242 adulti sani in 15 siti corporei (per i
maschi) e 18 siti corporei (per le femmine):
pelle (quattro siti), bocca e gola (nove siti),
vagina (tre siti), narici e feci (per
rappresentare il tratto gastrointestinale
distale). Sono state stimate il numero di
specie microbiche e dei loro geni.
Nella figura sono mostrate le stime grossolane
del numero di specie microbiche rosso) e del
numero di geni microbici (blu) nei siti contenenti la più elevata diversità di
specie, quali tratto gastrointestinale e denti (placca sopragengivale); siti con
diversità intermedia, quali interno della guancia (mucosa buccale) e narici
(narici anteriori), e siti con diversità inferiore, quale il fornice vaginale
posteriore. Gli autori hanno anche trovato una sostanziale variazione nella
diversità e nella composizione delle comunità microbiche in siti differenti
all'interno della stessa regione generale del corpo.
Learning about who we are - David A. Relman - Nature 486, 194–195 (14 June 2012) doi:10.1038/486194a
Nel nostro organismo, le cellule batteriche sono più
numerose delle cellule del nostro corpo (rapporto circa dieci
a uno). Questi ospiti residenti sono adesso diventati oggetto di
un'intensa attività di ricerca, che sta cominciando a chiarire il loro
ruolo nella salute e nella malattia.
Sorprendentemente, si scopre che dobbiamo gran parte della
nostra biologia e della nostra individualità ai microbi che vivono
sul e nel nostro corpo - una informazione che promette di
modificare radicalmente i principi e la pratica della medicina,
della salute pubblica e delle scienze di base. Il Consorzio
Progetto Microbioma Umano studia i costituenti del microbioma.
Si dovrebbero indagare anche i virus del microbioma per trovare
risposte alle domande sulle funzioni del microbioma. Ignoriamo
quasi completamente molti dei servizi che i nostri ecosistemi
microbici ci forniscono e dai quali dipende la nostra salute.
Learning about who we are - David A. Relman - Nature 486, 194–195 (14 June 2012) doi:10.1038/486194a
Ci sono prove emergenti che indicano che il
microbiota intestinale può influenzare la chimica e
lo sviluppo del cervello ed il comportamento degli
animali.
Alcuni autori mostrano che l'ingestione di probiotici
selezionati può modificare la connettività cerebrale e
le risposte alle sfide emotive in soggetti sani, aprendo
la strada per lo sfruttamento terapeutico dell'asse
microbioma-cervello sia per le funzionalità
gastrointestinali che per disturbi primari del
comportamento.
Gut microbiota: Intestinal bacteria influence brain activity in healthy humans - Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology – News & Views - Volume 10 Issue 6 - Published online:
07 May 2013 - p326 - doi:10.1038/nrgastro.2013.76 - Stephen M. Collins and Premsyl Bercik
With a little help from my phage friends - Nature Reviews Microbiology, published online 24 June 2013;
doi:10.1038/nrmicro3070
Prove crescenti suggeriscono che il microbioma intestinale ha un notevole
impatto sulla fisiologia dell’ospite, ma non è ancora chiaro come la
capacità funzionale del microbioma si mantenga dopo l'esposizione a
stress ambientali.
Recentemente è stato trovato che la popolazione residente di fagi fornisce
al microbioma una riserva di geni vantaggiosi preservando la robustezza
funzionale della microflora nel corso dell’esposizione a stress ambientale.
Nel complesso ecosistema dell'intestino, i fagi sembrano contribuire con
geni benefici per consentire l’adattamento dei loro ospiti batterici a
condizioni di stress.
Dopo trattamento con antibiotico, i genomi dei fagici si erano arricchiti di
geni di resistenza farmaco-specifica e di geni di resistenza multipla ai
farmaci, indicando che il metagenoma fagico contribuisce all’insorgenza
della multidrug resistance.
Oltre ai geni della resistenza, sono risultati arricchiti anche altri geni che
codificano per geni della riparazione del DNA.
The last resort – Nature, 499, 394-395, 25 July 2013 – Maryn McKenna
L‘ultima risorsa: gli operatori della sanità stanno guardando con orrore come
i batteri diventano resistenti ai potenti nuovissimi antibiotici carbapenemici .
Vaginal microbe yields novel antibiotic
Drug is one of thousands that may be produced by the
human microbiome.
Erika Check Hayden, 11 September 2014
Sett 2014
Nel numero di Cell di settembre 2014, alcuni
ricercatori hanno dimostrato che i batteri che
vivono dentro e su di noi possono sintetizzare
un vasto numero di molecole con azione
farmacologica, tra cui un nuovo antibiotico.
Il microbioma manifesta un enorme potenziale
per la produzione di molecole antimicrobiche.
Anche se vari studi avevano suggerito che la composizione del nostro microbioma
può avere enormi ripercussioni sulla nostra salute, è stato difficile dimostrare
esattamente come funziona. Alcuni ricercatori sono andati a caccia nel microbioma di
geni che producono piccole molecole con potenziale azione farmacologica. Sono
stati individuati migliaia di geni che consentono la sintesi di piccole molecole.
Alcune di queste molecole appartengono ad una classe di antibiotici tiopeptidici che
sono in fase di sperimentazione in studi clinici.
Vaginal microbe yields novel antibiotic - Drug is one of thousands that may be
produced by the human microbiome.
Erika Check Hayden, 11 September 2014
E’ stato trovato che batteri che vivono su e
dentro di noi intervengono in tale processo,
costruendo farmaci direttamente sui nostri corpi.
La squadra di Fischbach ha purificato un
tiopeptide prodotto da un batterio che vive
normalmente nella vagina umana. I ricercatori hanno dimostrato che tale farmaco può
uccidere altri batteri, come ad esempio lo Staphylococcus aureus che può causare
infezioni della pelle.
Questo è il primo lavoro che isola nuovi composti con forte potenziale farmacologico
dal microbioma umano e fornisce una piattaforma interessante per l’estrazione dai
nostri microbiomi di nuovi composti di interesse medico.
Lo studio del microbioma potrebbe portare all’identificazione di nuovi tipi di
molecole il cui studio potrebbe aiutare i ricercatori a capire come il microbioma
influenza la nostra suscettibilità alle malattie.
Nessuno aveva previsto che i batteri avessero la capacità di fare così tanti tipi di
farmaci.
Bacteria found in healthy placentas
Katia Moskvitch, NEWS in Nature del 21 maggio 2014 - doi : 10.1038/nature.2014.15274
Mag 2014
Una flora microbica analoga a quella della bocca può svolgere un ruolo nella
prevenzione delle nascite premature.
Il sacco amniotico in cui il feto cresce è un
ambiente sterile, ma la placenta - un organo
che il feto ha in comune con la madre – ospita
una comunità batterica.
Oggi alcuni ricercatori riferiscono che la
placenta, a lungo considerata sterile, è sede
di una comunità batterica simile a quella
presente nella bocca. I microbi sono
generalmente non patogeni, ma secondo gli
autori dello studio, variazioni nella loro
composizione potrebbero essere alla base dei comuni ma poco conosciuti disturbi della
gravidanza come la nascita pretermine, che si verifica in una gravidanza su dieci.
Nel 2012, Kjersti Aagaard, un ostetrico presso il Baylor College of Medicine di Houston, in
Texas, ed i suoi collaboratori hanno scoperto che i microbi più abbondanti nella vagina di una
donna incinta erano diversi da quelli di una donna non incinta, e che non erano generalmente
rappresentativi di quelli che erano più comuni nelle feci del bambino nella sua prima settimana
di vita. Per studiare dove venissero questi microbi, il team ha deciso di esaminare la placenta.
In questo nuovo studio, i ricercatori hanno prelevato campioni di tessuto placentare da 320
donne appena dopo il parto, hanno estratto il DNA dal tessuto e lo hanno sequenziato. Hanno
trovato che il peso della madre o il fatto di aver partorito con o senza il cesareo non sembra
cambiare la composizione del microbioma placentare. Ma, dice Aagaard, la comunità batterica
"era diversa tra le donne che avevano avuto un parto pretermine o che avevano avuto
un'infezione molto prima, come ad esempio un’infezione delle vie urinarie - anche se che
quella infezione era stata curata e guarita molti mesi o settimane prima". I loro risultati sono
pubblicati oggi in Science Translational Medicine.
I ricercatori hanno anche confrontato i microbiomi placentari con quelli che si trovano nella
vagina, nell’intestino, nella bocca e sulla pelle delle donne non gravide. Essi hanno scoperto che
il microbioma placentare era più simile a quello della bocca. Gli autori ipotizzano che i
microbi viaggiano dalla bocca alla placenta attraverso il sangue. I risultati rafforzano i dati che
suggeriscono un legame tra la malattia parodontale nella madre ed il rischio di parto pretermine,
dice Aagaard.
"Questo è il primo studio che dimostra che anche in una gravidanza normale c'è un microbioma
specifico associato con una placentazione normale", dice George Saade, un ostetrico presso
l'University of Texas Medical Branch a Galveston, che non è stato coinvolto nel lavoro.
Il team sta ora studiando come le comunità microbiche delle donne cambiano durante la
gravidanza. L'obiettivo è identificare le donne a rischio di parto pretermine, e sviluppare modi
per prevenire o trattare le sue complicanze nei neonati - eventualmente tramite cambiamenti
nella dieta per aumentare i microbi sani nella placenta, nella vagina o nella bocca e nell’intestino.
14
Gen 2014
Una dieta alimentare a lungo termine influenza la
struttura e l'attività delle migliaia di miliardi di
microrganismi che risiedono nell'intestino umano,
ma non è ancora chiaro quanto rapidamente e in
modo riproducibile il microbioma intestinale umano
risponde al cambiamento macronutrienti breve
termine.
Qui mostriamo che il consumo a breve termine di
diete composte interamente da prodotti animali o
vegetali altera la struttura della comunità microbica.
La dieta a base animale ha aumentato l'abbondanza
di microrganismi bile-tolleranti (Alistipes, Bilophila e
Bacteroides) ed ha fatto diminuire i livelli dei
Firmicutes che metabolizzano polisaccaridi vegetali
alimentari (Roseburia, Eubacterium rectale e
Ruminococcus bromii).
I microbi presenti riflettono le differenze tra
mammiferi erbivori e carnivori.
In concerto, questi risultati dimostrano che il
microbioma intestinale può rispondere rapidamente
alle modificazioni della dieta, favorendo
potenzialmente la diversità degli stili di vita
alimentari umani.
Scoperta dei virus
Verso la fine dell’800 il botanico russo Dmitri Ivanovsky,
ha tentato di isolare il «battere» responsabile di una
patologia del tabacco cercando di filtrare un estratto
di piante mediate mediante filtri a maglie piccolissime.
Nei filtri non si trovava niente, ma l’estratto che era ancora in
grado di trasmettere l’infezione doveva
contenere un battere sorprendentemente
piccolo oppure qualcosa di diverso e nuovo.
In seguito anche altri studiosi confermarono
che varie patologie erano provocate da questo
tipo di agentipatogeni piccolissimi, visualizzati
solo non appena è stata disponibile la
microscopia elettronica.
VIRUS
-è un complesso
macromolecolare
formato da DNA o
RNA (≥2000 nt)
rinchiuso in un
involucro proteico.
Qualche volta è
presente una
membrana
lipidica di rivestimento
-non è un vero e proprio organismo vivente,
ma piuttosto è un parassita genetico in quanto
manca di metabolismo
I virus sono parassiti
intracellulari obbligati che
si possono riprodurre
solo dentro una cellula
ospite
I virus non hanno enzimi
per il metabolismo, non
hanno ribosomi, non
possono sintetizzare nè
DNA, nè RNA, nè
proteine
infezione
VIRUS
Nuovi
VIRUS
trasfezione
RNA(+)
o
DNA(+)
Nuovi
VIRUS
Come e dove si può
incontrare un virus?
Nell’aria che respiriamo
(raffreddore, influenza,
vaiolo, …)
Mediante scambi di liquidi
organici (HIV)
Mediante animali, ad
esempio insetti (febbre
gialla)
Alimentazione (epatite A)
I virus sono i più numerosi e diversificati soggetti
genetici presenti dappertutto sulla Terra, in grado di
infettare organismi di tutti e tre i domini della vita,
persino altri virus. Nel genoma di tutti gli eucarioti sono
presenti miriadi di sequenze virali di ogni tipo che si
sono integrate e diventate endogene nel corso di
milioni di anni.
I virus hanno profondamente influenzato l'evoluzione
della vita fin dalla sua origine. Le proprietà infettive di
virus ne consentono la diffusione orizzontale negli
individui. Molti virus diventano parte del materiale
genetico dei loro specie ospiti, un processo che viene
chiamato endogenizzazione.
Endogenous viruses: insights into viral evolution and impact on host biology - Feschotte e Gilbert - Nature Reviews Genetics, 13, 283-296 - doi: 10.1038/nrg3199