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Archivi del mese: novembre 2013

Che cos’è un retrovirus?

Il fiocco rosso, simbolo della lotta all’AIDS

Il primo dicembre, come ogni anno, si svolge la giornata mondiale per la lotta all’AIDS.

La sindrome da immunodeficienza acquisita è una malattia pandemica (che colpisce più aree geografiche in tutto il Mondo) che, ad oggi, ha contagiato più di 60 milioni di persone provocando 25 milioni di morti.

Questa patologia, riconosciuta ufficialmente nel 1981, colpisce il sistema immunitario rendendolo debole ed inefficiente. Le persone colpite sono in questo modo esposte a infezioni e patologie (tra cui anche tumori) che in genere verrebbero sconfitte da un normale sistema immunitario.

L’AIDS è provocata dal virus dell’immunodeficienza umana (HIV) derivato dal virus dell’immunodeficienza delle scimmie (SIV). Questo virus, trasmissibile per via sessuale, ematica o verticale (madre-figlio), si insinua nell’organismo ospite e attacca le cellule ricche di un particolare recettore chiamato CD4.

Nell’organismo umano le cellule che esprimono maggiormente il recettore CD4 sono i linfociti CD4+ del sistema immunitario. Questi linfociti hanno il ruolo fondamentale di coordinatori (o “direttori d’orchestra”) in quanto sono responsabili del reclutamento di diverse componenti del sistema immunitario a seconda del tipo di infezione che il corpo è chiamato a fronteggiare. Un numero inopportuno di linfociti CD4+ indebolisce tutto il sistema di difesa esponendo l’intero organismo agli attacchi degli agenti patogeni.

Linfocita al microscopio elettronico a scansione (Wikipedia)

I linfociti CD4+ sono il bersaglio principale del virus HIV ma, all’interno del corpo umano, si trovano altre cellule attaccabili dal virus in quanto dotate di recettore CD4. Tra queste cellule ci sono altre cellule del sistema immunitario come i linfociti B e linfociti T-CD8+, i precursori delle cellule del sangue, cellule dei vasi sanguigni, del sistema nervoso e delle pareti intestinali

Spesso si sente definire l’AIDS come malattia retrovirale e l’HIV come retrovirus. Ma cosa significa esattamente questo termine?

Virus e retrovirus….

Prima di tutto cerchiamo di definire cosa sia esattamente un virus.

Il termine virus deriva dal latino vīrus che significa “tossina, veleno”. Un virus è formato, in grosso modo, da una capsula che avvolge un genoma formato da pochi geni. Un virus in genere infetta una cellula iniettandovi il proprio genoma. Una volta all’interno della cellula questi pochi geni sequestrano i macchinari di replicazione della cellula stessa. In questo modo il virus si replica formando copie di se stesso che abbandonano la cellula uccidendola. I nuovi virus così formati potranno infettare (e uccidere) altre cellula e così via. Per la sua semplicità strutturale e per la sua incapacità a replicarsi in modo autonomo un virus viene definito come entità biologica e non come organismo vivente (se un virus sia effettivamente vivente o meno è ancora oggetto di discussione).

Definita brevemente la natura di un virus passiamo ora al secondo concetto fondamentale per capire il termine “retrovirus”: Il Dogma Centrale della Biologia Molecolare o Central Dogma (se chi legge è un fan di Neon Genesis Evangelion questo termine farà suonare più di un campanello).

Nel manga/anime Neon Genesis Evangelion il Central Dogma era il centro di comando del quartier generale della Nerv.

Il Dogma Centrale si riferisce al sistema tramite il quale l’informazione genetica contenuta nel DNA viene espressa in proteine funzionanti (e quindi in interi organismi viventi). Il Dogma prevede che l’informazione contenuta nella catena a doppia elica del DNA venga trascritta in RNA messaggero a singola elica il quale viene tradotto in proteine.

Schematizzazione del Dogma Centrale. Il DNA (che si autoreplica) viene trascritto in RNA tramite la trascrizione. l’RNA viene quindi tradotto in proteine tramite la traduzione.

Nonostante il nome, però, il Dogma Centrale è ben lontano dall’essere una regola assoluta ed inviolabile (come del resto tutto nella Scienza, e questo è il bello!). Esistono infatti numerosi casi di violazione del Dogma e i retrovirus ne sono un esempio.

I retrovirus sono caratterizzati da un genoma formato da RNA invece che DNA. La capsula del retrovirus, una volta all’interno della cellula infettata, libera alcune molecole di un enzima particolare chiamato retrotrascrittasi inversa.

Questo enzima è in grado di violare il Dogma percorrendo al contrario il primo passaggio del Dogma stesso, la trascrizione da DNA a RNA messaggero.

La retrotrascrittasi, infatti, retrotrascrive il genoma ad RNA del virus in DNA. Questo DNA virale retrotrascritto viene quindi incorporato nel genoma della cellula colpita che inizierà ad esprimere le proteine virali come se nulla fosse.

In questo modo il retrovirus piega i meccanismi di replicazione della cellula ai propri voleri. La cellula infettata diventerà una vera e propria fabbrica di produzione e assemblaggio dei virus i quali, una volta formati, abbandoneranno la cellula distruggendone la membrana provocandone così la morte.

Retrovirus HIV-1 (in verde) che abbandonano un linfocita morente gemmando dalla sua superficie (Wikipedia)

Il sistema terribile quanto ingegnoso garantisce prosperità al virus che può crescere ed espandersi fino a diventare una vera e propria epidemia.

Nonostante tutto la lotta all’AIDS continua e le buone notizie non mancano. Pur non esistendo ancora un vaccino o una cura definitiva, l’infenzione è in calo. Il Progamma per la lotta all’AIDS delle Nazioni Unite (UNAIDS), infatti, riporta una riduzione del 52% di nuove infezioni nei bambini e una riduzione globale tra adulti e bambini del 33% dal 2001 ad oggi.

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Quanto è grande una cellula?

Rappresentazione di una cellula eucariote.

Gli organismi che abitano la Terra possono essere raggruppati in differenti categorie attraverso diversi metodi. Uno di questi metodi consiste nel dividere gli esseri viventi in base al numero di cellule che li compongono.

Secondo questa divisione, quindi, possiamo distinguere organismi unicellulari (formati da una singola cellula) e organismi pluricellulari (formati da più cellule) come noi esseri umani.

Un corpo umano è formato da circa 1014 (centomila miliardi) di cellule divise in più di 200 tipi differenti. A questi miliardi di cellule (di cui 100 miliardi di soli neuroni nel cervello) vanno aggiunti altrettanti batteri che vivono in simbiosi nel nostro intestino.

Le nostre cellule definiscono chi siamo in quanto sono le unità fondamentali del nostro corpo, le strutture più piccole a poter essere considerate viventi.

Ma quanto piccole sono effettivamente le cellule?

Molto… molto piccole. Ma andiamo con ordine.

Prima di tutto definiamo il livello di grandezza in cui ci muoviamo quando parliamo di cellule.

Se la nostra altezza è definita in metri (m), la distanza tra due città in chilometri (km), le dimensioni delle cellule sono definite in micrometri (μm).

Un micrometro corrisponde ad un milionesimo di metro, ovvero un millesimo di millimetro (che a sua volta è un millesimo di metro). Il rapporto tra micrometri e millimetri è quindi uguale a quello tra millimetri e metri.

Io sono alto circa un metro e ottanta, ovvero 1800 millimetri o un milione e ottocentomila micrometri. Le cellule che formano il mio (e il vostro) corpo, invece, hanno dimensioni che variano da poco meno di 10 micrometri ad oltre 100 micrometri (un decimo di millimetro).

Questo significa che se la cellula più grande del nostro corpo avesse le dimensioni di una moneta da un euro, una persona media dovrebbe essere alta qualcosa come 260 metri.

Ma quali sono le cellule più grandi del nostro corpo? E quelle più piccole?

Le cellule più grandi del corpo umano sono gli ovuli femminili. Con un diametro che si aggira tra i 120 ed i 150 micrometri (0.12-0.15 millimetri) meritano ampiamente il titolo di giganti del corpo umano. Le cellule uovo umane sono abbastanza grandi da essere visibili ad occhio nudo.

Ovulo e spermatozoo. La cellula più grande e una delle cellule più piccole del corpo umano.

Tra le cellule più grandi del corpo troviamo anche le fibre muscolari le quali, in realtà, sono formate da più cellule fuse tra loro in strutture polinucleate (con molti nuclei cellulari) chiamate sincizi.

Se l’ovulo è la cellula più grande lo spermatozoo cade nel gruppo delle cellule più piccole (approfondirò questa disparità tra maschio e femmina in un post futuro) con un diametro di circa 5-6 micrometri. Ciononostante il flagello dello spermatozoo (la coda per intenderci) arriva fino a 50 micrometri di lunghezza.

Tra le dimensioni dello spermatozoo e dell’ovulo c’è quindi una differenza di circa 30 volte!

Sempre all’interno della categoria delle cellule più piccole del corpo troviamo inoltre i globuli rossi del sangue che, con la loro caratteristica forma discoidale biconcava (dovuta all’assenza di un nucleo cellulare), hanno diametri inferiori ai 10 micrometri o, ancora, i neuroni dello strato granulare del cervelletto le cui dimensioni si aggirano intorno ai 4.5 micrometri.

Eritrociti o globuli rossi con la caratteristica forma discoidale biconcava.

Abbiamo quindi definito i due estremi, le cellule più grandi e le cellule più piccole del nostro corpo.

Ma qual è la cellula più grande del mondo?

Vista la non tanto recente estinzione dei dinosauri si può dire che la cellula più grande attualmente esistente sul nostro pianeta sia l’uovo di struzzo con i suoi 15 centimetri di lunghezza medi.

Ma, come spesso accade nella Scienza, questa affermazione rimane ancora oggi dibattuta.

Esistono infatti cellule che, pur non avendo lo stesso volume o lo stesso peso, possono raggiungere lunghezze che superano di gran lunga i 15 cm dell’uovo di struzzo.

Senza andare troppo lontano, alcuni neuroni del corpo umano hanno prolungamenti lunghi più di un metro e collegano il sistema nervoso centrale alla punta dei nostri piedi.

Quindi provate ad immaginare (e fate le dovute proporzioni) i prolungamenti dei neuroni analoghi in animali come giraffe, balenottere azzurre o calamari giganti…

Un’alga molto particolare, però, sembra poter battere tutti gli organismi sopracitati contendendo le prime posizioni nella speciale classifica delle cellule giganti.

Si tratta della Caulerpa, un genere di alga verde che può raggiungere i 3 metri di lunghezza con più di 200 fronde distribuite lungo tutto il corpo.

Alga del genere Caulerpa. Pur sembrando una pianta con foglie si tratta in realtà di una singola cellula priva di sistema vascolare

La particolarità che rende unica la Caulerpa è il numero di cellule che la compongono: UNO.

I tre metri di Caulerpa, infatti, sono formati da un’unica grande cellula con numerosi nuclei. Questo rende la Caulerpa una delle cellule più grandi e, sicuramente, l’organismo unicellulare più grande al mondo.

Concludo consigliandovi un pagina interattiva dove potrete visualizzare le dimensioni di una cellula rispetto ad altri oggetti come un chicco di caffè o un atomo di carbonio. Realizzata dal Genetic Science Learning Centre dell’Università dell Utah è consultabile liberamente QUI.

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Fisiologia ed evoluzione del singhiozzo.

Inserito il

Calvin alle prese con il singhiozzo.

Come lo starnuto (trattato recentemente da me QUI) anche il singhiozzo è un riflesso che coinvolge l’apparato respiratorio,  è diffuso nel regno animale e accompagna l’Uomo dall’alba dei tempi.

Le possibili cause del singhiozzo sono molteplici e possono essere, per esempio, di tipo psicogeno (shock, eccitazione, paura, stress), di tipo metabolico (iperglicemia, ipocalemia, febbre), associate a farmaci (benzodiazepine, barbiturici, alfa-metildopa) o a malattie (tumori, infiammazioni nervose).

In ogni caso la causa più diffusa è l’iperestensione dello stomaco che, probabilmente, provoca un’irritazione del muscolo diaframma o del nervo frenico che lo innerva.

Dal punto di vista fisiologico il singhiozzo è un fenomeno più complicato di una semplice contrazione involontaria del diaframma.

Ad ogni sussulto, infatti, insieme al diaframma si contraggono con forza anche i muscoli inspiratori (intercostali, del collo e altri) mentre i muscoli espiratori si rilassano profondamente. In seguito alla violenta inspirazione la glottide (il segmento della laringe dove si trovano le corde vocali) si chiude di scatto producendo il caratteristico suono. Prima della contrazione del diaframma, inoltre, il palato e il retro della lingua si muovono verso l’alto e non sono rari i rutti d’aria associati ai sussulti del singhiozzo.

La glottide si trova all’altezza delle corde vocali

Un attacco di singhiozzo viene definito tale se si protrae per più di qualche minuto. Un attacco che duri più di 48 ore è considerato persistente o protratto. Se dura più di un mese è definito intrattabile.

Seppur rari esistono casi di attacchi di singhiozzo durati anni. Il record (ufficialmente nel Guinness dei Primati e difficilmente battibile) appartiene a Charles Osborne che incominciò a singhiozzare nel 1922 dopo essere stato schiacciato dalla carcassa di un maiale di un quintale e mezzo che stava per macellare. Charles Osborne, nato nel 1892, finì di singhiozzare nel 1990 all’età di 97 anni, 68 anni dopo l’incidente con il maiale. Morì l’anno successivo in seguito alle complicazioni di un’ulcera.

Quali sono i rimedi più efficaci contro il singhiozzo?

I rimedi ad un attacco di singhiozzo sono antichi quanto la conoscenza del fenomeno stesso. Cionostante nessuno di essi si è mai rivelato efficace al 100%. In ogni caso le soluzioni migliori sembrano essere il controllo della respirazione, bere acqua o semplicemente avere la pazienza di aspettare che l’attacco termini da solo (sperando di non battere il record di Charles Osborne…).

I casi più gravi possono persino essere trattati chirurgicamente con l’ablazione del nervo frenico.

Ma a cosa serve il singhiozzo?

Lo starnuto e la tosse sono riflessi utili per liberare le vie respiratorie da patogeni e agenti irritanti. Il singhiozzo invece sembra essere un riflesso complesso privo di qualsiasi scopo (se non quello di infastidirci…).

Esistono due principali teorie sull’evoluzione del singhiozzo.

La prima teoria sostiene che il singhiozzo sarebbe un modo per liberare lo stomaco da un eccesso di aria. Poiché questo fenomeno è diffuso tra i mammiferi e in particolar modo tra gli infanti, si pensa che i sussulti siano un modo per coordinare la suzione del latte con la respirazione. Secondo questa teoria il sussulto permetterebbe di espellere aria dallo stomaco liberando volume utile per una maggiore quantità di latte.

Un vitello in allattamento

Una seconda teoria, invece, considera il rilfesso del singhiozzo come un residuo vestigiale della respirazione anfibia. Il singhiozzo, come spiegato sopra, è un fenomeno ritmico e complesso, che coordina tra loro differenti tipi di muscoli. Ciò suggerisce che esista, a livello del sistema nervoso, un centro generatore di singhiozzi.

Il singhiozzo, inoltre, è già osservabile nel feto e, nel corso dello sviluppo embrionale, compare ancor prima dei movimenti respiratori. Per questa ragione il singhiozzo potrebbe essere un residuo di precedenti fasi dell’evoluzione.

Cercando all’interno del regno animale un valido candidato che possa rappresentare gli albori del singhiozzo ci si ritrova ai bordi di uno stagno. I girini, infatti, nel corso della loro metamorfosi si ritrovano ad avere sia le branchie che i polmoni.

I girini, però, sono privi di diaframma e, per riempire i polmoni, devono prima riempire la bocca di aria, quindi chiudere bocca, narici e branchie e forzare l’aria all’interno dei polmoni. Quando invece respirano tramite le branchie,  riempiono la bocca di acqua, chiudono la glottide e forzano l’acqua attraverso le branchie.

I girini, ad un certo stadio della propria metamorfosi, possono respirare sia acqua che aria

In entrambi i casi i girini sfruttano una coordinazione tra inspirazione e chiusura della glottide in modo del tutto simile al singhiozzo.

[Per approfondimenti visitate alcune delle pagine da cui ho tratto le informazioni per questo post: QUI e QUI]

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