CdSMEDICINA E CHIRURGIA
Codice051EE
CFU9
PeriodoAnnuale
LinguaItaliano
Corso Integrato di Biologia e Genetica
CORE CURRICULUM
MODULO DI BIOLOGIA
Biologia della cellula
- Caratteristiche della vita, origine della vita sulla Terra, classificazione dei viventi.
- Bacteria, Archaea e Eukarya: proprietà, strategie ed evoluzione.
- I virus come parassiti endocellulari.
- I componenti chimici della cellula.
- Composizione, struttura e funzioni delle membrane cellulari.
- Diffusione e trasporto attraverso la membrana.
- La comunicazione tra cellule e i meccanismi di trasduzione del segnale.
- I Compartimenti intracellulari e lo smistamento delle proteine.
- Traffico vescicolare. Le vie di endocitosi e secrezione. La digestione intracellulare.
- Il mitocondrio, struttura, origine e funzioni.
- Il citoscheletro e la motilità cellulare.
- Il ciclo e la divisione cellulare: mitosi.
- Il controllo del ciclo cellulare.
- Il differenziamento e la morte cellulare.
- La riproduzione asessuata e sessuata, i cicli vitali.
- La divisione meiotica.
- Origine e sviluppo delle cellule germinali.
- La fecondazione.
Biologia degli acidi nucleici
- Scoperta e ruolo genetico del DNA.
- La struttura della cromatina e dei cromosomi, il cariotipo.
- Organizzazione ed evoluzione dei genomi.
- La replicazione del DNA.
- Meccanismi di riparazione e ricombinazione del DNA.
- Il flusso dell’informazione genetica.
- La struttura del gene nei procarioti e negli eucarioti.
- I diversi tipi di RNA, meccanismi di sintesi e maturazione.
- Il ribosoma e la sintesi proteica.
- Il codice genetico.
- La regolazione della espressione genica nei procarioti.
- La regolazione dell’espressione genica negli eucarioti.
MODULO DI GENETICA
Genetica formale e post-mendeliana
- La variabilità genotipica e fenotipica: geni e ambiente.
- Meccanismi di base dell’ereditarietà: gli esperimenti di Mendel e loro interpretazione cromosomica e molecolare.
- Analisi del chi-quadro e influenza del caso sui dati genetici.
- Dominanza incompleta, codominanza, alleli multipli.
- Interazione genica, epistasi, geni modificatori, geni letali, rapporti mendeliani atipici.
- Pleiotropia, effetto di posizione. Effetti della temperatura e nutrizionali, penetranza ed espressività.
- Anticipazione genica. Imprinting genomico.
- Determinazione del sesso e cromosomi sessuali.
- Caratteri limitati o influenzati dal sesso. Compensazione del dosaggio genico.
- Geni associati e crossing-over.
- Incrocio a tre punti. Mappe di associazione, interferenza.
- L’eredità citoplasmatica. Genoma mitocondriale.
Mutazioni
- Le mutazioni. Classificazione e meccanismi di formazione.
- Le mutazioni puntiformi
- Le mutazioni cromosomiche strutturali.
- Le mutazioni cromosomiche numeriche.
Genetica quantitativa e di popolazioni
- Caratteri poligenici e multifattoriali. Alleli additivi come base della variazione continua.
- Metodi statistici per lo studio di caratteri continui.
- L’ereditabilità.
- La variabilità fenotipica, caratteri polimorfici.
- Struttura genetica di una popolazione, frequenze genotipiche ed alleliche.
- La legge di Hardy-Weinberg e sue applicazioni.
- Selezione naturale, mutazione, migrazione, deriva genetica ed inincrocio: effetti sulle frequenze alleliche.
- Genetica evolutiva.
Il corso si propone di fornire gli strumenti metodologici e conoscitivi che mettano in grado lo studente di comprendere, attraverso un approccio critico, i processi fondamentali che caratterizzano i sistemi viventi, tra cui l’uomo, interpretandone specificità e variabilità alla luce dell’evoluzione biologica.
Le correlazioni tra struttura e funzione a livello cellulare ed i meccanismi responsabili della conservazione, espressione, variazione e trasmissione dell’informazione genetica costituiscono l’oggetto fondamentale del corso, rappresentando la base culturale necessaria per un’armonica e proficua progressione dello studio verso gli ambiti più specifici e caratterizzanti del corso di Laurea in Medicina.
The student who successfully completes the course will be able to demonstrate advanced knowledge of cellular organization and function. He or she will be also able to demonstrate a solid knowledge of mendelian, molecular and population genetics. Moreover, the student will be aware of basic mechanisms of gene expression regulation as well as cell cycle regulation.
L'acquisizione delle conoscenze sarà verificata con un esame orale alla fine del corso.
During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course contents, and to discuss the topics using the appropriate terminology
Methods:
- Final oral exam
Gli studenti saranno stimolati ad intervenire durante lo svolgimento delle lezioni per evidenziare la necessità di dedicare maggior tempo alla trattazione di alcuni argomenti e/o il desiderio di approfondirne altri. L’interazione diretta tra studenti e docenti ha anche la finalità di stimolare un approccio critico/analitico allo studio della biologia e della genetica.
Gli studenti verranno sollecitati ad intervenire durante le lezioni
Essendo un corso di Laurea ad accesso programmato le conoscenze iniziali richieste per il corso integrato di biologia e genetica si identificano di fatto con il programma previsti per le prove di ammissione.
Delivery: face to face
Learning activities:
- attending lectures
- participation in seminar
- participation in discussions
- individual study
Attendance: Mandatory
Teaching methods:
- Lectures
- Seminar
- Task-based learning/problem-based learning/inquiry-based learning
PROGRAMMA DETTAGLIATO DEL MODULO DI BIOLOGIA
Argomenti introduttivi. Storia della biologia cellulare e molecolare; La materia vivente: caratteristiche fondamentali; La cellula: unità base strutturale e funzionale dei viventi; L’evoluzione biologica.
Concetti di chimica/fisica che è necessario avere acquisiti per seguire il corso con profitto (questi concetti verranno richiamati brevemente ma non costituiranno argomenti del programma di esame). Principi della termodinamica; Il comportamento delle reazioni chimiche; I legami chimici; Le interazioni deboli tra molecole biologiche; L’energia di attivazione delle reazioni e l’importanza dei catalizzatori; Le proprietà chimico-fisiche dell’acqua; Le caratteristiche delle soluzioni acquose; Acidi e basi; Diffusione; Osmosi; Il carbonio e i suoi composti organici; Isomeria nei composti organici.
la composizione chimica dei viventi. Le classi di composti biologici: carboidrati (monosaccaridi, oligosaccaridi, polisaccaridi); I lipidi (acidi grassi, lipidi neutri, lipidi polari, steroidi);
Le proteine: i molteplici ruoli delle proteine nella cellula; la struttura chimica delle proteine; gli amminoacidi e il legame peptidico;cenni sulle strutture delle proteine: la struttura primaria e la sua variabilità, le strutture secondarie, la struttura terziaria, la struttura quaternaria; Regolazione dell’attività delle proteine; Rapporto struttura/funzione nelle proteine; Proteine omologhe e paraloghe; Gli enzimi proteici; La regolazione delle proteine; La regolazione delle vie metaboliche (cenni)
Acidi nucleici; Le funzioni biologiche dei nucleotidi; Nucleotidi come costituenti degli acidi nucleici; ll legame fosfodiesterico; Il DNA: composizione, struttura, dimensioni; i superavvolgimenti della doppia elica; Gli enzimi che modificano la topologia del DNA (topoisomerasi tipo I e tipo II); Strutture cruciformi e a “forcina”; Denaturazione e rinaturazione del DNA; L’RNA e le sue diverse funzioni biologiche; Struttura e tipi di RNA; Le interazioni tra acidi nucleici e proteine; I motivi strutturali delle proteine che legano il DNA; Proteine enzimatiche che agiscono sugli acidi nucleici (nucleasi, polimerasi, ligasi).
Cellule, organismi e virus. La cellula procariotica: struttura, metabolismo, riproduzione; La cellula eucariotica: forma, dimensioni, rassegna degli organelli tipici delle cellule animali; Organismi unicellulari e pluricellulari; Riconoscimento e adesione tra cellule; I virus (struttura e tipi di virus); Ciclo litico e lisogenia dei batteriofagi; Virus che infettano eucarioti; Ipotesi sull’origine ed evoluzione dei virus.
Le membrane cellulari. Composizione e struttura delle membrane cellulari; Le varie classi di lipidi che compongono il doppio strato; Le proteine di membrana (caratteristiche e strutture); Diffusione e trasporto di soluti attraverso le membrane; La diffusione semplice; L’osmosi; Le porine; La diffusione facilitata (mediata da proteine canale e carrier); I canali ionici: struttura e regolazione (a controllo di voltaggio, a controllo mediato da ligandi, a controllo mediato da stimoli meccanici); Il trasporto attivo diretto (pompe tipo P, tipo V, tipo ABC); Trasporto attivo indiretto.
La membrana plasmatica delle cellule procariotiche ed eucariotiche; Il potenziale di membrana; Cenni sulla generazione propagazione del potenziale d’azione.
La trasduzione del segnale. tipi di segnalazione; Natura chimica dei ligandi coinvolti nel processo; Tipi di recettori; I recettori accoppiati a proteine G; I secondi messaggeri: L’AMP ciclico e la via di trasduzione che usa cAMP; I secondi messaggeri derivati da fosfatidil inositoli; L’ossido nitrico e la regolazione del diametro dei vasi sanguigni; I recettori associati ad attività chinasica; Attivazione dei recettori dotati di attività tirosin chinasica; Proteina Ras; Via di trasduzione Ras-MAP chinasi; Interazioni tra diverse vie di trasduzione (convergenza, divergenza).
Bioenergetica. Ruolo centrale dell’ATP nel metabolismo energetico; Ossidoriduzioni nei sistemi biologici ed il ruolo dei coenzimi/gruppi prostetici (cenni); Fosforilazione a livello del substrato nella sintesi di ATP; Metabolismo aerobio e anaerobio; La glicolisi; Le fermentazioni; Il mitocondrio struttura, origine, evoluzione; Cenni su produzione di Acetil-CoA a partire da piruvato e acidi grassi nella matrice e ciclo di Krebs; La catena respiratoria; Il trasporto di elettroni; Il gradiente di protoni; Struttura e funzionamento della FoF1 ATPasi; La sintesi di ATP per fosforilazione ossidativa; Passaggio di metaboliti, ioni ed equivalenti riducenti attraverso la membrana mitocondriale interna; Funzioni dei mitocondri non incluse nel metabolismo energetico; I perossisomi e loro funzioni.
Il citoscheletro e la motilità cellulare. Composizione, organizzazione generale del citoscheletro; I microtubuli: assemblaggio, dis-assemblaggio, equilibrio dinamico dei microtubuli. I centri di organizzazione dei microtubuli; Le proteine associate ai microtubuli; Le proteine motrici che agiscono sui microtubuli; La struttura dell’assonema delle ciglia e dei flagelli. I microfilamenti; L’actina unità di base dei microfilamenti; Proteine leganti actina e la regolazione della polimerizzazione /depolimerizzazione dei microfilamenti; I microfilamenti e la motilità nelle cellule non muscolari.
Il sistema delle endomembrane. Il traffico vescicolare tra compartimenti limitati da membrana; Il reticolo endoplasmatico ruvido: sintesi, ripiegamento, controllo qualità delle proteine; L’apparato di Golgi e lo smistamento di proteine; Scambi vescicolari tra RER e apparato di Golgi; vescicole ricoperte da COPI, COPII, clatrina; Secrezione costitutiva e regolata; Endocitosi; Fagocitosi; Autofagia; Gli endosomi; I lisosomi e la digestione intracellulare. Il reticolo endoplasmatico liscio, Ruoli nella: sintesi di lipidi, regolazione del calcio, detossificazione.
Il nucleo. Struttura dell’involucro nucleare; Il complesso del poro; Gli scambi nucleo/citoplasma; La cromatina: proteine istoniche e non istoniche; La struttura del nucleosoma; Compattamento della cromatina: eucromatina ed eterocromatina; Effetti delle modificazioni covalenti degli istoni sulla compattezza della cromatina, il codice istonico; La matrice nucleare (cenni); La struttura dei cromosomi metafasici: classificazione morfologica dei cromosomi, il centromero, i telomeri; Il nucleolo; Il nucleoide batterico.
DNA e genoma. DNA come depositario dell’informazione genetica; Il concetto di gene e genoma; Il dogma centrale della biologia rivisto alla luce delle attuali conoscenze sul flusso dell’informazione genetica. Dimensioni del genoma e numero dei geni in relazione alla complessità degli organismi; Struttura del genoma procariotico; Struttura del genoma eucariotico; Sequenze codificanti e non; Sequenze uniche, mediamente ripetute ed altamente ripetute; Le famiglie geniche; Gli elementi trasponibili nel genoma batterico ed eucariotico; I retrotrasposoni; Ruolo dei trasposoni nell’evoluzione del genoma.
La trascrizione. Caratteristiche dell’RNA; Tipi di RNA (codificanti e non codificanti); La trascrizione nei procarioti (fasi di inizio, allungamento, terminazione); Le fasi della trascrizione negli eucarioti; I promotori eucariotici; I tre tipi di RNA-polimerasi eucariotiche (polimerasi I, II, III); La maturazione degli RNA eucariotici trascritti dalla RNA polimerasi II: capping, poliadenilazione, splicing; splicing alternativo; splicing autocatalitico; RNA editing; Passaggio degli mRNA dal nucleo al citoplasma; Trascrizione e maturazione di rRNA, tRNA e RNA piccoli.
La sintesi delle proteine. Il codice genetico e la sua decifrazione; Struttura e funzione dei tRNA; La flessibilità nel legame codone-anticodone; Le amminoacil-tRNA sintetasi; Eccezioni all’universalità del codice genetico; Struttura e composizione di ribosomi; Fasi di inizio, allungamento e terminazione della sintesi proteica nei procarioti e negli eucarioti.
Modificazioni post-traduzionali e smistamento delle proteine. Il ripiegamento delle proteine; Proteine chaperone e chaperonine; Ruolo delle sequenze segnale nello smistamento delle proteine; Modificazioni post-traduzionali covalenti; Traslocazione di proteine nel reticolo endoplasmatico ruvido; Modificazione e ripiegamento delle proteine nel RER; Risposte alla presenza di proteine mal-ripiegate nel RER; Maturazione e smistamento di proteine per opera del complesso di Golgi; Incorporazione di proteine nel mitocondrio (ruolo dei trasportatori TOM e TIM e delle proteine chaperone); Trasferimento bidirezionale attraverso il complesso del poro.
La regolazione dell’espressione genica. Il controllo dell’espressione genica nei procarioti; Gli operoni batterici (catabolici e biosintetici); Meccanismi di induzione e repressione dell’operone; Regolazione positiva degli operoni che controllano vie cataboliche; Meccanismo dell’attenuazione negli operoni biosintetici; Regolazione mediante ribo-switch a livello trascrizionale e traduzionale. La regolazione dell’espressione genica negli eucarioti; I differenti livelli ai quali si può attuare il controllo dell’espressione genica negli eucarioti: a livello genomico, a livello della cromatina, a livello trascrizionale, a livello post-trascrizionale, a livello traduzionale, a livello post-traduzionale.
La replicazione del DNA. Origine della replicazione e repliconi nei procarioti e negli eucarioti; Fasi della replicazione in dettaglio: pre-inizio (ruolo di: elicasi, proteine SSB topoisomerasi), Inizio (ruolo della primasi; Filamento anticipato e ritardato), allungamento (diversi tipi di DNA polimerasi, caratteristiche delle polimerasi, la correzione di bozze, ruolo e funzionamento della pinza scorrevole), terminazione; La replicazione dei telomeri; La telomerasi; Le mutazioni e la riparazione del DNA (argomento incluso nel programma del modulo di genetica).
La divisione e il ciclo cellulare. La divisione cellulare nei procarioti; La mitosi; dettaglio degli eventi che caratterizzano le fasi della mitosi (profase, pro-metafase, metafase, anafase, telofase e citodieresi); Il fuso mitotico: formazione, attacco e separazione/migrazione dei cromosomi; La citodieresi nelle cellule animali; Le fasi del ciclo cellulare; Meccanismi di regolazione del ciclo cellulare; Ruolo delle CdK e delle cicline: meccanismi di attivazione e inibizione; I punti di controllo del ciclo cellulare; la progressione attraverso le varie fasi del ciclo cellulare; Apoptosi: morte cellulare regolata; Ruolo delle caspasi; Le via estrinseca ed intrinseca dell’apoptosi; La senescenza: ruolo dei telomeri; Cenni sulla trasformazione neoplastica; Geni coinvolti: oncogèni e oncosoppressori.
Riproduzione asessuata e sessuata. Modalità e caratteristiche della riproduzione asessuata; Ricombinazione genica nei batteri (trasformazione, coniugazione, traduzione); Riproduzione sessuata: costi e vantaggi; Meiosi: dettaglio delle varie fasi
Le origini della vita sulla Terra
Le cellule staminali. Classificazione, ipsc, concetto di nicchia, applicazioni in medicina rigenerativa
PROGRAMMA DETTAGLIATO DEL MODULO DI GENETICA
Introduzione alla genetica. Variabilità fenotipica, genetica e ambientale. L’impatto della genetica sulla società. DNA ricombinante, biotecnologie, organismi modello. Fingerprinting del DNA
Genetica mendeliana. Meccanismi di base dell’ereditarietà, modalità di trasmissione dei caratteri. Gli esperimenti di Mendel e loro interpretazione cromosomica e molecolare. Principio della dominanza, leggi della segregazione e dell’indipendenza. Analisi del chi-quadro e influenza del caso sui dati genetici. Studi di alberi genealogici.
Estensioni della genetica mendeliana. Dominanza incompleta, codominanza, alleli multipli. I gruppi sanguigni AB0, antigeni A e B, fenotipo Bombay. Interazione genica, epistasi, geni modificatori, geni letali, rapporti mendeliani atipici. Pleiotropia. Penetranza ed espressività. Effetto di posizione. Effetti della temperatura, effetti nutrizionali. Anticipazione genetica. Imprinting genomico
Determinazione del sesso e cromosomi sessuali. Caratteri limitati o influenzati dal sesso. Cromosoma X e cromosoma Y. Compensazione del dosaggio nei mammiferi e in Drosophila.
Geni concatenati sullo stesso cromosoma. Associazione e crossing over. Aspetti citologici e molecolari della ricombinazione. Modello di Holliday. Incrocio a tre punti. Mappe di associazione. Fenomeno dell’interferenza. Analisi degli ibridi somatici.
Mutazioni geniche. Mutazioni spontanee, indotte e adattative. Classificazioni basate sulla localizzazione delle mutazioni, sul tipo di cambiamento molecolare e sul basata sugli effetti fenotipici. Agenti mutageni fisici e chimici. Test di Ames. Principali sistemi di riparazione del DNA.
Mutazioni cromosomiche numeriche e strutturali. Monosomie, trisomie, poliploidie. Delezioni, duplicazioni, inversioni, traslocazioni. Meccanismi di insorgenza ed effetti.
Genoma mitocondriale. Eredità extranucleare. Organizzazione molecolare e prodotti genici del DNA mitocondriale. Mutazioni del DNA mitocondriale.
Genetica quantitativa e caratteri multifattoriali. Alleli additivi come base della variazione continua. Calcolo del numero dei poligeni. Ereditabilità e studi su gemelli.
Genetica di popolazione. Frequenze alleliche e genotipiche. Legge di Hardy-Weinberg. Verifica dell’equilibrio, allelismo multiplo, caratteri X-linked, stima della frequenza di eterozigoti. Selezione naturale, mutazione, migrazione, deriva genetica, inincrocio ed effetti sulle frequenze alleliche.
The course approaches the main issues of cell and molecular biology with particular emphasis to the animal cell.The topics will includes:Origin of life and the evolution of cells;Composition, structure and functions of cell membranes; Transport processes and signal transduction;Organization of the endomembrane system and vesicles trafficking;The role of mitochondria and the energy flux through the cell; Cytoskeleton and cell motility;The cell cycle and its regulation;Mitosis and meiosis. The course also focuses on the flux of genetic information, including: DNA structure and packaging; Chromatin composition and structure;DNA replication and repair; Organization and evolution of genome;Transcription and processing of RNAs;Genetic code and protein synthesis;Regulation of gene expression;This course also deals with the basic mechanisms of the transmissio of genetic traits;Mendelian principles and the extension of Mendelian analysis;basic principles of population and evolutionary genetics.
DETAILED PROGRAM OF THE BIOLOGY COURSE
- introduction to the cell
1.1 the cellular theory
1.2 gerarchical organization of life
1.3 techniques of cell imaging
-optic microcsopy
-fluorescence microscopy
-transmission and scansion electron microscopy
1.4 prokaryotes and eukaryotes
-eukarya, bacteria, archea
-evolutive relationship between bacteria and eukarya and between eukarya and archea
-the 5 kingdom of eukarya domain
1.5 the macromolecules of the cell
-proteins: primary structure and the peptide bond; secondary, tertiary and quaternary structure
-the carbohydrates: mono- and poly-saccharides
-the nucleic acids (DNA and RNA), structure of the nucleotide, structure of the single strand, phosphodiester bond, structure of the double strand,. Physic properties of DNA (supercoiling, palindromic sequences, denaturation renaturation)
-the lipids: fatty acids, triglycerides, phospholipids and glycolipids, sterols
- the structure of biological membranes
-chemical composition
-structure of the lipid bilayer
-membrane asymmetry and its role
-the control of membrane viscosity
-membrane proteins: integral membrane proteins, peripheric membrane protein and lipid-bound proteins
-the lipid rafts
-fluid mosaic model and protein mobility
-the cortex
-generality on membrane protein function
-the membrane carbohydrates; the glycocalyx
- outside the cell
-the extracellular matrix (nods)
-Gram(+) and Gram è-) bacterial wall (structure, biosynthesis and function)
- structure and organization of eukaryotic cell
4.1 general overview of all the organelles
-structural details, graphic representation and identification under electron microscope
4.2 the nucleus
-nuclear envelope
-nuclear pore and the pore complex
-nuclear lamina and nuclear matrix. Relationship between nuclear lamina and cytoskeleton
-chromatin organization, the histones and non-histone proteins
-chromatin condensation, from beads on a string to the chromosome. Chromosome structure and the sister chromatids.
-the nucleolus
4.3 the cytoscheleton
- components and general function
- microtubes, composition, nucleation and dynamic instability
- microtube organization centers, gamm-tubulin and TURC complex. The structure of centrosome
- Microtube associated proteins (MAP). General overview and mechanism of action of motor MAPs
-examples of microtubes functions in organelle movement and role of microtubes in static structures (nods about cilium axoneme)
-the microfilaments, biochemical composition (actin G and F)
- tridimensional organization of actin filaments (net, beam, dendritic ramification)
-actin binding proteins and their function with particular emphasis on profillin, timosin, Arp2/3, tropomyosin, actinin
- function of microfilaments and myosin
-ameboid movement
-the case of intracellular mobility of listeria
-intermediate filament, some examples and reference to the nuclear lamin
- prokaryotic cell
-differences between eukaryotic and prokaryotic cells
-role of cell membrane in electron transport
-reference to bacterial wall
-bacterial capsule and biofilms
-bacterial genome and the plasmids
-the mesosoma
-comparison between bacteria and archea
- acellular infetious agents
6.1 the viruses (nods)
-viruses are acellular infetious agents
-structure of naked and envelope viruses
- host-virus recognition
-the host specificity
-general process of viral infection. Virulent (T4 phage) and temperate (lambda Phage) bacteriophages as examples for lytic and lysogenic cycles.
-lytic cycle, description of the phases, role of early intermediate and late genes
-lysogenic cycle, prophage integration and excision
-mechanisms of viral particle intake into procaryotic cells
-life cycle of eukaryotic DNA and RNA viruses
-oncogenic viruses (nods)
6.2 the prions
-general concepts and the case of PrPc protein
-the concept of prion replication mechanism
- the functions of plasma membrane
7.1 membrane transport
-concept of osmosis and gradient
-mechanisms of passive transport, diffusion and facilitated diffusion. The case of glucose
-mechanisms of primary active transport, P, V, F and ABC pump
-mechanisms of secondary active transport, the co-transport sodium/glucose
7.2 cell junction and adhesion
-molecules for adhesion (nod)
-cellular junctions (nod)
7.3 signal transduction
-mechanisms of communication between cells (GAP junctions and ligand/receptor communication)
-ligand/receptor communication: the phenomenon of signal transduction, the concept of second messenger and signal amplification
- modalities of communication between cells (autocrine, justacrine, paracrine, neuronic, endocrine and neurocrine)
-intracellular and membrane receptors
-structure and mechanism of action of intracellular receptors
-G protein coupled receptors: structure of receptors and trimeric G proteins and mechanisms of activation/dissactivation
-the effectors of G protein
-the transduction cascade of adenylate cyclase
-the transduction cascade of fosfolipase C: membrane inositoles and calcium intracellular homeostasis
-receptors with intrinsic kinase activity
-tyrosine kinase receptors and their mechanisms of transduction: the Ras cascade
-multiple cascade activation: the example of insulin receptor
-comparison between insulin and glucagone action
-serine/threonine kinase receptors: the case of TGF beta
- genome organization
-definition of genome
-G and C values paradigm
-the concept of gene
-definition of LOCUS
-central dogma of molecular biology
-number of genes did not correlates with genome size
-prokaryotic gene structure and the operons
-eukaryotic gene structure, introns and exons
-role of introns
-gene classification on the basis of gene copy number
-the alleles
-concept of diploidy and the karyotype
-the genotype
-the phenotype
-DNA classification on the basis of its repetitiveness and organization of the repetitions
-transposons and retro-transposons
- DNA replication and repair
-concept of semiconservative duplication
-the replication origins
-preinitiation phase: opening of the replication bubble, role of helicases, single strand binding proteins,and topoisomerases
-initiation phase: the synthesis of RNA primer
-elongation phase: leading and lagging strands, the removal of primers and the ligase enzyme.
-termination phase: deconcatenation in prokaryotes; telomere elongation in eukariotes
-telomere structure and role
- mitotic cell division
-phases of mitosis
-mitotic spindle assembly
-transport of chromosomes at the plus end of microtubles
-sister chromatids segregation
-cytokinesis
- transcription
-concept of transcription
-phases of transcription
-transcription in prokariotes: promoter structure, RNA polymerase structure, sigma factor, the abortive initiation, mechanisms of termination rho-dependent and rho-independent
-transcription in eukaryotes: different types of RNA polymerases, cis elements, structure of POLII promoter, bidirectional promoters, general and specific transcription factors, formation of the pre-initiation complex of POLII, promoter evasion of POLII and transcription termination of POLII.
- RNA maturation
-differences between eukaryotes and prokaryotes
-mRNA maturation: 5’ cap, polyA tail and splicing
-types of introns
-splicesome assembly and splicing process
13.1 the genetic code
-features of the genetic code (universal, redundant, not-ambiguous)
13.2 mechanism of translation
-the ribosomes
-biosinthesys of ribosomes and the nucleolus
-tRNA and iso-acceptor tRNA
-the aminoacyl-tRNA-synthases
-assembly of the translation complex in prokaryotes
-assembly of the translation complex in eukaryotes
-elongation
-termination
-the polyribosomes
-reason for redundancy
-post-translational modifications
13.3 protein sorting
-localization signals
-sorting to the RER, N-glycosylation, the control of protein quality
-sorting to the nucleus
14 the mitochondrion
--structure of the mitochondrion: its membranes and its compartments
-mitochondrial genome and mitochondrial heteroplasmy
- the mitochondrial network
-mechanism for mitochondria fission and fusion
-role of fission and fusion in the maintenance of genetic homogeneity and in the control of mitochondrial quality
-intramitochondrial compartmentalization
-sorting of cell nucleus coded proteins to the mitochondria
15 cell metabolism
-anabolic and catabolic reactions (nod)
-catabolic reactions, redox reactions, the electronegativity (nod)
-glucose oxidation
-the electron transporter
-the dehydrogenases
-phases of cell respiration: glycolysis, oxidative decarboxylation of pyruvate, Krebs’s cycle (nod)
-the electron transport chain, structure of the electron transport complexes and formation of the proton gradient
-ATP synthase and the mechanism of oxidative phosphorylation
-the concept of coupling/uncoupling
-fermentation reactions (nod)
- Origin of life
-primordial broth theory and the RNA word
-submarine hydrothermal spring theory
-eukaryotic cells evolution: the hypothesis of serial symbiosis of Luynn Margulis; the hydrogen and syntropy hypothesis of Martin and Muller
-evolution of endoplasmic system
-origin of autotrophic organisms
-horizontal gene transfer
- the cell cycle and its regulation
-cell cycle and its phases
-restriction points
-cyclins and cyclin-dependent kinases
-inhibitors of cyclin-dependent kinases
- growth factors and G1-S transition (the Ras cascade, the AKT cascade, the beta-TGF)
- cdk4-cyclin D, Rb and E2F in G1-S transition
- the mechanism of the authorization to DNA replication
- activation of CDK1-cyclin B and the G2-M transition
- the activities of CDK1-cyclin B complex
- the anaphase promoting complex
- segregation of sister chromatids
- the transition APC-cdc20 / APC-cdh1
- DNA damage-dependent control, p53
- cell senescence and cell death
- cellular senescence, morphological, physiological, immunological and molecular features
- molecular, morphological, immunological and physiological features of apoptosis
- role of apoptosis in embryonic development
- molecular mechanisms of apoptotic cell death: extrinsic and intrinsic cascades
- the necrosis
- vescicular trafficking
19.1 structure and functional organization of Golgi apparatus
- the RER exit sites (ERES)
- the Endoplasmic Reticulum-Golgi Intermediate Compartment (ERGIC)
- functional organization of Golgi (CGN- cis cistern- intermediate cistern- trans cistern – TGN)
- alternative models for Golgi origin
19.2 mechanisms for the formation, loading and fusion of vesicles
- models for protein sorting in vesicle tagged to the same organule
- mechanism of vesicle formation
- the coating complex (COP I; COP II, Clatrin, the retromer complex)
- role of GTPases in recruiting the coating complex
-RAB proteins, anchoring proteins, v-SNARe and t-SNAre in vesicle fusion)
19.3 vesicle trafficking from TGN
- constitutive secretion
- regulated secretion
- vesicle loaded with lysosomal enzymes
19.4 endocytosis and phagocytosis
- general endocytosis. Receptor-mediated endocytosis
- the transcytosis
- phagocytosis and the opsonization
19.5 the autophagy
- macroautophagy
- microautophagy
- chaperon mediated autophagy
19.6 the endosome compartment
- early endosome
- acidification of endosome
- the recycling compartment
- the multivesicular body
- extracellular digestion
- the smooth endoplasmic reticulum
- Functions of SEM
- lipid synthesis
- calcium compartimentalization ( the example of muscle fiber)
- glycogenolysis
- phases of xenobiotic detoxification
- the enzymes of detoxification and their genetic variability
- detoxification phase I: the p450 cytochromes
- detoxification phase II: the example of paracetamol
- detoxification phase III
- mechanisms that regulate the expression of detoxification enzymes
- the peroxisomes
- the evolution (nod)
- gene expression regulation
23.1 general concepts
- the equivalence of the genomes
- conceptual differences between prokaryotic and eukaryotic gene expression regulation mechanisms
- the transcriptional regulation: the positive and negative control
23.2 gene expression regulation in prokaryotes
- the operon, structure, function
- types of operons
23.3 the lac operon
- structure of lac operon
- negative regulation of lac operon
- positive control of lac operon
23.4 the trp operon
- negative control of trp operon
- the attenuation
23.5 gene expression regulation in eukaryotes
-levels of regulation
23.6 accessibility to chromatin
- chromatin remodeling factors
- post-translational modifications of histones, the histone code, the maintenance of modifications
- DNA methylation and its mechanism of maintenance
23.7 the epigenetics, concept and role
- methylation of DNA
23.8 the control of transcriptional efficiency
- proximal and distal control elements
- transcriptional activators and repressors
- the role of isolators
- combinatory model for expression regulation
23.9 control of mRNA maturation: the alternative splicing
23.10 control of mRNA half-life
- mRNA degradation mechanisms
- the poly-A tail and cytoplasmic polyadenylation
- regulatory elements in 5’ and 3’ UTR: the case of transferrin receptor and ferritin
23.11 post-translational control
- recall to post-translational modifications of proteins and their regulative role
- ubiquitination and the proteasome
23.12 RNA interference
- concept and general function
- small interfering RNA molecules (siRNA, miRNA, piRNA)
23.13 the siRNAs
- mechanism of generation and functioning
- primary and secondary siRNAs, the RdRPs and the co-transcriptional silencing. The RITS complex and role of siRNA in epigenetic regulation
- siRNA spreading in the organism
23.14 the miRNAs
- mechanism of generation and functioning
- the miRNA network
23.15 the piRNAs
23.16 the long non-coding RNAs, the case of Xist
24. Stem cells
- totipotent, pluripotent, multipotent, unipotent stem cells
-ipsc
-stem cells and their niche
-application of stem cells in regenerative medicine
Testi consigliati
BIOLOGIA
Ginelli & Malcovati: "Molecole cellule e organismi", EdiSES
per consultazione:
BECKER et al: “Il mondo della cellula”, Pearson.
Alberts et al: “L’essenziale di biologia Molecolare della cellula “, Zanichelli
MATERIALI DIDATTICI comprendenti slides, animazioni e filmati utilizzati a lezione sono disponibili al seguente indirizzo internet: https://elearning.med.unipi.it/
GENETICA
- William S. Klug, Michael R. Cummings, Charlotte A. Spencer "Concetti di Genetica" Ottava edizione-Ed. Pearson;
- Benjamin A. Pierce "Genetica" Seconda edizione a cura di Guido Barbujani-Ed. Zanichelli;
Recommended reading includes: -Karp, Biologia cellulare e molecolare. Edises - Becker et al., Il mondo della cellula. Pearson -Russel, i Genetica. Edises -Klug, Concetti di genetica.Pearson.
VERIFICA ORALE
Sono previste prove in itinere valide per l’attribuzione della valutazione finale.
ORAL CHECK
There are ongoing tests valid for the attribution of the final evaluation.
MATERIALI DIDATTICI comprendenti slides, animazioni e filmati utilizzati per le lezioni del modulo di biologia sono disponibili al seguente indirizzo internet: https://elearning.med.unipi.it/
RICEVIMENTO STUDENTI
I docenti ricevono su appuntamento preso via e-mail o per telefono.