Citologia e biologia cellulare

1. Introduzione allo studio della citologia e della biologia cellulare moderna
Gerarchia e complessità dell’organizzazione biologica. La cellula come unità fondamentale degli organismi viventi. Morfologia e organizzazione generale della cellula procariotica e della cellula eucariotica animale e vegetale. Ordini di grandezza, unità di misura, limiti di risoluzione e principali tecniche microscopiche per lo studio di cellule e tessuti, con riferimento alla microscopia ottica in luce trasmessa, alla microscopia a fluorescenza e alla microscopia elettronica.
Introduzione all’immagine biologica come fonte di informazione morfologica e quantitativa, con esempi semplici di osservazione e misura in biologia cellulare (dimensione, numero, forma, distribuzione e localizzazione di cellule, organelli o segnali in immagini microscopiche). Concetti di variabilità biologica e tecnica, controllo sperimentale e confronto tra campioni.

2. Le basi chimiche della materia vivente
Struttura e funzione delle principali macromolecole biologiche: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Acqua, pH, legami chimici e interazioni deboli nei sistemi biologici. Relazione tra struttura molecolare e funzione biologica.

3. La membrana plasmatica
Proprietà e funzioni della membrana plasmatica. Composizione e architettura molecolare: modello a mosaico fluido, domini di membrana e raft lipidici. Permeabilità e meccanismi di trasporto di membrana: diffusione semplice, osmosi, trasporto passivo e attivo, proteine carrier, pompe di membrana, canali ionici e potenziale di membrana.
Recettori, comunicazione tra cellule e trasduzione del segnale. Concetti introduttivi di gradienti extracellulari, localizzazione dei recettori, polarità cellulare e distribuzione spaziale dei segnali come elementi importanti per la funzione cellulare.
Specializzazioni della membrana plasmatica: microvilli, ciglia e flagelli, glicocalice, giunzioni cellulari strette, aderenti, desmosomi e giunzioni comunicanti. Matrice extracellulare e interazioni cellula-matrice: contatti focali ed emidesmosomi.

4. Il citoplasma, gli organelli e il traffico intracellulare
Composizione del citosol, ribosomi e poliribosomi. Sistema delle membrane interne e compartimentalizzazione nelle cellule eucariotiche: reticolo endoplasmatico ruvido e liscio, apparato di Golgi, traffico vescicolare e rivestimenti proteici delle vescicole, lisosomi, endocitosi ed esocitosi. Perossisomi, mitocondri e cloroplasti. Cenni al ruolo dei mitocondri nel metabolismo energetico e all’origine endosimbiotica degli organelli energetici.
Esempi di parametri cellulari misurabili in immagini biologiche: dimensione cellulare, forma, distribuzione degli organelli, localizzazione subcellulare di proteine e confronto tra cellule o condizioni sperimentali.

5. Il citoscheletro, la forma e la motilità cellulari
Struttura e funzione dei microtubuli, centrosoma e MTOC, modello di instabilità dinamica, motori microtubulari, ultrastruttura dell’assonema in ciglia e flagelli. Struttura e funzione dei microfilamenti di actina, assemblaggio e disassemblaggio, interazioni dei filamenti actinici con miosina e proteine leganti actina in cellule muscolari e non muscolari. Struttura e funzione dei filamenti intermedi.
Rapporto tra citoscheletro e altre strutture cellulari. Ruolo del citoscheletro nella forma cellulare, nella polarità, nell’adesione, nella migrazione, nella divisione cellulare e nella risposta meccanica delle cellule. Esempi introduttivi di misure cellulari associate al citoscheletro: area, forma, polarità, orientamento, organizzazione dei filamenti e movimento cellulare.

6. Il nucleo, l’informazione genetica e il ciclo cellulare
Struttura del nucleo interfasico al microscopio ottico ed elettronico. Involucro nucleare e pori nucleari. Scambi tra nucleo e citoplasma. Nucleolo. Struttura della cromatina. Eterocromatina costitutiva e facoltativa. Cromosomi metafasici e cariotipo.
Cenni sulla struttura e funzione dei principali RNA. Codice genetico. Cenni sulla duplicazione del DNA, trascrizione e traduzione dell’informazione genica. Introduzione ai concetti di genotipo, fenotipo, mutazione, variabilità genetica e regolazione dell’espressione genica.
Il ciclo cellulare: fasi e cenni sulla regolazione. La fase M: tappe della mitosi e citocinesi. Cenni a semplici misure cellulari e nucleari utilizzabili nello studio del ciclo cellulare, quali dimensione del nucleo, morfologia della cromatina, indice mitotico e frazione di cellule proliferanti. La riproduzione sessuata: cellule somatiche e cellule germinali. Meiosi, gametogenesi e struttura dei gameti.

Elementi introduttivi di biologia cellulare quantitativa e spaziale
Introduzione al concetto di misura in biologia cellulare e alla distinzione tra osservazione qualitativa, descrizione morfologica e dato quantitativo. Variabilità biologica e variabilità tecnica. Campione, controllo, confronto tra condizioni e normalizzazione a livello introduttivo.
Esempi semplici ricavabili da immagini biologiche: numero e dimensione delle cellule, area nucleare, forma cellulare, intensità e localizzazione di segnali, distribuzione degli organelli, indice mitotico e densità cellulare. Interpretazione di semplici grafici biologici e riconoscimento dei limiti di una “immagine rappresentativa”.
Introduzione al concetto di organizzazione spaziale nei sistemi biologici: posizione delle cellule nei tessuti, polarità, relazioni cellula-cellula e cellula-matrice, microambiente, gradienti e compartimenti tissutali. Esempi saranno discussi in relazione a epiteli, connettivi, muscolo, tessuto nervoso e sangue. Cenni a tecnologie moderne per lo studio dei tessuti nel loro contesto spaziale, quali immunofluorescenza multiplex e atlanti cellulari, a livello concettuale e non specialistico.

Cenni di evoluzione biologica
Panorama delle forme viventi. Le categorie sistematiche. Genotipo, fenotipo, fitness, selezione naturale e artificiale. Analogia e omologia. Coevoluzione e mimetismo. Legge di Hardy-Weinberg. Mutazioni, deriva genetica e flusso genico. Significato evolutivo della riproduzione sessuata. Speciazione. Evoluzione molecolare. Le prove storiche dell’evoluzione. Lamarckismo, darwinismo e neodarwinismo. Gradualismo ed equilibri intermittenti.
Saranno inoltre discussi esempi semplici che collegano l’evoluzione alla biologia moderna e alle biotecnologie, quali resistenza agli antibiotici, evoluzione virale, domesticazione, adattamento e variabilità biologica.

Esercitazioni: elementi di istologia
Studio dell’organizzazione tissutale attraverso l’osservazione guidata di preparati istologici e immagini digitali. Le esercitazioni saranno dedicate al riconoscimento di cellule, tessuti e compartimenti, al confronto tra immagini diverse e alla descrizione della relazione tra architettura microscopica e funzione. In modo trasversale alle diverse esercitazioni, saranno introdotti a livello semplice e guidato alcuni aspetti morfologici, morfometrici e spaziali, quali densità cellulare, distribuzione delle cellule, polarità e organizzazione della matrice extracellulare.

1. Tessuti epiteliali
Classificazione strutturale e funzionale degli epiteli. Polarità morfo-funzionale delle cellule epiteliali. Membrana basale. Epiteli di rivestimento. Epiteli ghiandolari.

2. Tessuti connettivi propriamente detti e specializzati
Tessuti connettivi propriamente detti: cellule proprie e migranti; matrice extracellulare; biosintesi e organizzazione delle componenti extracellulari. Funzioni. Tessuto connettivo fibroso lasso e denso, reticolare, elastico e adiposo. Tessuti connettivi di sostegno: cartilagine; tessuto osseo spugnoso e compatto; funzioni meccaniche e di omeostasi metabolica; ossificazione, accrescimento e rimodellamento dell’osso. Sangue, plasma ed elementi figurati.

3. Tessuti muscolari
Tessuto muscolare striato scheletrico: organizzazione istologica e basi ultrastrutturali della contrazione muscolare. Tessuto muscolare striato cardiaco: organizzazione strutturale e ultrastrutturale, dischi intercalari. Tessuto muscolare liscio: organizzazione istologica, distribuzione e funzioni.

4. Tessuto nervoso
Cenni sull’organizzazione generale del sistema nervoso. Struttura del neurone e delle cellule gliali. Polarità neuronale, organizzazione delle cellule gliali e connettività.