2014.5.virus, euc, proc - Dipartimento di Biologia e

Virus e cellule procariote ed eucario9che VIRUS Dal la9no ‘veleno’… fanno ‘una sorta di vita in pres9to’, a metà fra sostanze chimiche ed esseri viven9. Unità semplici, faHe da acidi nucleici raccol9 in un involucro di proteine. Studi sui virus -­‐> biologia molecolare: i geni sono faK da DNA, replicazione del DNA, trascrizione, traduzione, manipolazione gene9ca… Biotecnologia: uso dei virus come ve-ori per inserire DNA in cellule animali durante la terapia genica. Il primo virus fu scoperto studiando il mosaico del tabacco (TMV): -­‐ 1883, Mayer: la malaKa si trasmeHe con la linfa, da un ‘baHerio piccolissimo’. -­‐ 1893, Ivanowsky: il ‘baHerio’ è in grado di passare filtri che traHengono baHeri comuni, ‘baHerio piccolissimo’ o tossina? -­‐ Beijerinck: l’agente patogeno non è una tossina: si riproduce, pero non in terreni o piastre per baHeri… Prima volta che si definisce un virus. -­‐ 1935, Stanley: cristallizzazione del TMV. -­‐  … Poi si è visto anche a microscopio eleHronico Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che StruHura dei virus Acido nucleico (DNA or RNA) al interno di una capside proteica (faHa da capsomeri), a volte invol9 da una membrana (pericapside), da 20 a qualche cen9naia di nm. TMV Adenovirus Virus influenza BaHeriofago T4 Elicoidale Icosaedrico BaHeriofagi o faggi Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Genomi virali DNA o RNA, doppio o singolo filamento, in genere un filamento lineare o circolare, ma a volte più di uno. Da quaHro a circa un migliaio di geni (baHerio da 200 ad alcune migliaia di geni). La scatola: capside e altri involucri La capside è faHa da monomeri proteici, capsomeri, da uno a pochi 9pi per virus. Alcuni virus sono invol9 in una membrana procedente della cellula ospite (pericapside), contenente fosfolipidi e proteine cellulari ma anche proteine virali. In alcuni casi, ci sono degli enzimi virali al interno della capside. Virus del papilloma … e poi ci sono altri virus! Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Ciclo riprodu5vo virale I virus si possono riprodurre soltanto all’interno de cellule ospi9: gamma d’ospite. Alcuni molto specifici (morbillo – umani), alcuni meno (encefalite equina: zanzare, uccelli, cavalli, umani). In genere tessuto-­‐specifici: raffreddore -­‐> epitelio respiratorio. Ingresso: -­‐ ospite eucariote: per endocitosi, per fusione del pericapside; -­‐ ospite procariote: per iniezione del genoma virale Uso del macchinario cellulare per fare molte copie del genoma e delle proteine virali. Virus RNA: hanno la loro RNA polimerasi, che in genere manca nelle cellule ospite. Uscita dei nuovi virus: morte cellulare -­‐> malaKa. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che La vita dei fagi Il ciclo li8co di un fago virulento (T4) Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Cicli li8co e lisogeno di un fago temperato (fago lambda) Grazie a enzimi fagici, diventa un profago silente Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Per ché i fagi non distruggono tuK i baHeri? -­‐  I baHeri cambiano le loro proteine di superficie per non essere riconosciu9: evoluzione patogeno -­‐ ospite. -­‐  I baHeri possiedono enzimi di restrizione per distruggere il DNA fagico, ma non quello proprio, che è proteHo da modifiche specifiche (me9lazione). -­‐  Tan9 fagi preferiscono il ciclo lisogeno, anche se possono passare a li9ci soHo diverse condizioni ambientali (chimiche, energe9che). Durante il ciclo lisogeno, il profago esprime proteine che bloccano la espressione de le proteine necessarie per il ciclo li9co, e a volte altre proteine quali tossine che fanno i baHeri pericolosi per l’uomo: E. coli enteroemorragico 0157:H7 ha un profago che produce una tossina -­‐> intossicazione alimentare. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Virus animali Pericapside virale: comune, si usa per entrare nelle cellule ospite. Tipi di genoma: I.  dsDNA II.  ssDNA III.  dsRNA IV.  ssRNA, usato come mRNA V.  ssRNA, usato come stampo per mRNA e nuovo ssRNA genomico (RNA pol propria) VI. ssRNA, usato come stampo per DNA: retrovirus, portano la loro trascriHasi inversa. Il DNA s’integra nei cromosomi ospi9, e da lì s’esprime come mRNA per la sintesi proteica e di nuovi genomi virali HIV, causante di AIDS Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che L’uovo e la gallina… Chi è comparso prima, le cellule o i virus? In alcune cellule esistono elemen8 gene8ci mobili: -­‐  Plasmidi: piccoli DNA circolari, nei baHeri -­‐  Trasposoni: piccoli frammen9 di DNA lineare che si spostano dentro del genoma cellulare Forse i virus procedono dalla evoluzione di ques9 elemen9 gene9ci. In genere i virus presentano alta omologia con i geni delle cellule ospi9. Mimivirus: virus recentemente scoperto, grande (400 nm), complesso (˜1000 geni), con geni codifican9 per proteine per la traduzione e riparazione del DNA, ripiegamento delle proteine, sintesi dei polisaccaridi… Dunque i virus sono… la più complessa associazione di molecole o la più semplice forma di vita??? Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che I virus causano malaKe agli animali e al’uomo, a causa della morte cellulare e/o del rilascio di tossine. Difese: -­‐ prima della infezione: vaccini (vaiolo, poliomielite, morbillo…) -­‐ dopo della infezione: sistema immune; agen9 an9virali: molecole in grado di colpire specificamente gli enzimi virali. Virus emergen9: nuovi 9pi di virus: AIDS (acquired immune deficiency syndrome) , Ebola, SARS (severe acute respiratory syndrome)… Da dove vengono? -­‐  Mutazioni spontanee (epidemie di raffreddore) -­‐  Diffusione massiva (epidemie, pandemie) -­‐  Trasmissione fra spezie (virus dell’influenza aviaria) E non solo virus… prioni: proteine infeKve! Mucca pazza, scrapie, Creutzfeldt-­‐Jacob… malaKe di evoluzione lenta, lunga incubazione, difficili da controllare, non c’e terapia. Stanley Prusiner, Premio Nobel 1997: meccanismo di progazione dei prioni all’interno della cellula. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che E per le piante! Si conoscono oltre 2000 malaKe virali delle piante, che causano gravi perdite economiche. La trasmissione dei virus fra le piante può essere orizzontale (fra piante, sopraHuHo danneggiate, median9 veHori come erbivori, inseK e l’uomo) o ver9cale (dalla pianta madre a quelle figlie). Difficili da traHare, si cerca solo di controllarli. E non solo virus… viroidi: agen9 infeKvi delle piante faK solo di piccoli RNA circolari. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che TuK gli organismi viven9 sono faK da cellule: teoria cellulare -­‐  Robert Hooke, 1665: vede le ‘cellule’ del sughero. -­‐  Leeuwenhoek, 1674: descrive i microorganismi (baHeri, protozoi) -­‐  Dutrochet (1824): le cellule sono en9 individuali, l’unità fondamentale della organizzazione degli esseri viven9. -­‐  Schleiden (1838) e Schwann (1839): le cellule sono le unità che fanno tuK gli organismi vegetali e animali: Teoria cellulare: tuHe le cellule procedono d’altre cellule, non esiste la generazione spontanea: Louis Pasteur (1860) Ci sono tan9ssimi 9pi di cellule, ma tuHe hanno la estesa chimica di base e seguono il dogma centrale della biologia. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che TuHe le cellule di un organismo hanno lo stesso DNA, ma lo esprimono in maniere diverse (sono differenziate), il che determina la loro forma e funzione specifiche. TuHe le cellule esisten9 derivano da una cellula ancestrale comune, esistente 3.5-­‐3.8 miliardi di anni fa… Grazie alle mutazioni e alla evoluzione. Al confronto con le cellule, i virus sono dei zombi! Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che La scala di misura Virus e cellule procariote ed eucario9che Cellule: procariote (‘prima del nucleo’) o eucario8che (‘vero nucleo’). CELLULE PROCARIOTE -­‐  In genere cellule isolate -­‐  Dimensioni ridoHe, normalmente 0.5-­‐5 µm -­‐  Non hanno nucleo ne organuli interni -­‐ Per lo più hanno una parete cellulare -­‐ Si riproducono velocemente (da poche ore a 20 minu9) per scissione binaria -­‐ Possono scambiare materiale gene9co -­‐ Evolvono velocissimamente -­‐ Biomassa complessiva: 10 volte in più di tuK gli eucario9 insieme -­‐  Massima biodiversità: alcuni possono sopravvivere con alta salinità (˜30% ), a 3 milioni di rad (3000 volte la dosi mortale per l’uomo), a pH 0.03 (che può dissolvere metalli) o a più di 3 km di profondità… Altri vivono nel acqua, nelle piante, nei animali, nelle pozzanghere… in ogni parte! Due domini, così diversi fra di loro quanto dai eucario9: -­‐ Bacteria (baHeri), o Eubacteria (eubaHeri). -­‐ Archaea (archea), o archeobaHeri, adaK a vivere in ambien9 estremi, forse i primi esseri vivi sulla Terra primi9va. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Stru-ure esterne -­‐ Parete cellulare: protezione; forma: sferica (cocchi), a bastoncino (bacilli) o spirale. Nei baHeri, faHa da pep9doglicano. H.C. Gram: colorazione di Gram, baHeri gram-­‐posi9vi (parete più semplice, con molto pep9doglicano), e gram-­‐nega9vi (più complessa, con membrana esterna lipopolisaccarida). An9bio9ci come la penicillina inibiscono la formazione del pep9doglicano: azione generica sopraHuHo contro i gram-­‐
posi9vi. Alcuni hanno pure: -­‐ Capsula esterna, protezione addizionale e adesione. -­‐  Ciglia: adesione. -­‐  Pili sessuali: per lo scambio di DNA fra coppie di baHeri. -­‐  Flagelli: per il movimento; orientato: tassia (chemiotassi posi9va o nega9va). E. coli ha chemiotassi posi9va fra individui per fare colonie. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Organizzazione interna -­‐ Citoplasma. -­‐ Ripiegamen9 della membrana cellulare: in alcuni baHeri, per certe funzioni metaboliche (respirazione, fotosintesi). -­‐  Organizzazione genomica: in genere un unico cromosoma circolare, localizzato nella regione nucleoide, e alcuni anelli piccoli di DNA: plasmidi. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Riproduzione Per scissione binaria, in poche ore. Limitata dalle condizioni ambientali (per fortuna!). Formazione di endospore: incapsulamento del cromosoma senza acqua -­‐> arresto metabolico. Possono sopravvivere per secoli, si distruggono col autoclave (121oC e alta pressione). La diversità gene8ca nei procario9 è promossa da: -­‐ mutazioni spontanee (rare ma le popolazioni sono grandi); -­‐ alta velocità di riproduzione e grandezza delle popolazioni (alta tassa di mutazioni); -­‐ e della ricombinazione gene8ca: mescola di DNA d’individui diversi: * per trasformazione: assunzione di un frammento di DNA dal esterno, che sos9tuisce il DNA omologo; * per trasduzione: trasmissione di DNA fra baHeri tramite fagi; * per coniugazione… Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che La coniugazione: trasferimento di DNA fra due baHeri uni9 temporaneamente, grazie ai pili sessuali che avvicinano i baHeri per la formazione di un ponte riprodu5vo. FaHore F (plasmide F): fer9lità: geni per i pili sessuali Hfr: high frequency of recombina9on Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Plasmidi R: plasmidi contenen9 geni di resistenza agli an9bio9ci: geni che tramite mutazione danno al baHerio la capacità di sopravvivere agli an9bio9ci. Vengono seleziona9 posi9vamente dal uso di an9bio9ci. Contengono pure geni per i pili sessuali: si possono trasmeHere ad altri baHeri. Così gli an9bio9ci perdono la loro u9lità. Strategia: ridurre l’uso di an9bio9ci. Usa solo il tuo sistema immune! Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Metabolismo dei procario8 Energia: dal sole (fototrofi) o da compos9 chimici (chemiotrofi). Fonte di carbonio: compos9 inorganici (CO2, HCO3-­‐)(autotrofi) o compos9 organici (eterotrofi). -­‐ Fotoautotrofi: procario9 fotosinte9ci come i cianobaHeri (fanno come piante e alghe). -­‐ Chemioautotrofi: usano energia da compos9 come H2S, NH3, etc. e carbonio inorganico. -­‐ Fotoeterotrofi -­‐ Chemioeterotrofi: come fanno animali, funghi, e altri. Riguardo l’ossigeno possono essere: -­‐ Aerobi obbliga9: respirazione, l’ul9mo acceHore di e-­‐ è l’O2 -­‐ Anaerobi obbliga9: * fermentazione, l’ul9mo acceHore di e-­‐ è una molecola endogena * respirazione anaerobia, l’ul9mo acceHore di e-­‐ è una molecola esogena -­‐ Anaerobi facolta9vi Riguardo l’azoto (fondamentale per fare aa e nucleo9di), i procario9 possono usare diversi fon9 di N, e alcuni di loro (come cianobaHeri) possono fissare il N2 atmosferico, trasformandolo in NH3 (fissazione dell’azoto), e rendendolo u9le per le piante e per tuHa la catena alimentare. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Alcuni procario9 cooperano metabolicamente e vivono en colonie dove diversi individui hanno ruoli diversi. A volte formano biofilm, rives9men9 di baHeri che vivono insieme e creano problemi di salute, ai den9 e anche economici (rovinano aHrezzature, inquinano superfici, etc). Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Uno sguardo alla sistema8ca molecolare… Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che I procario9 svolgono ruoli molto importan9 per tuHa la vita sulla Terra: -­‐ Alcuni incorporano nutrien9 nella catena alimentare: carbonio (dal CO2 e altre fon9), N (dal N2) e altri, anche se possono pure sequestrarli. -­‐  Alcuni producono O2-­‐ -­‐  I decompositori riciclano la materia organica e la rendono di nuovo disponibile. Ma sono pure causan9 di tante malaKe gravi… … e hanno pure tante applicazioni nella ricerca e nella industria: -­‐  Produzione di formaggio e yogurt. -­‐  Applicazioni biotecnologiche: Escherichia coli è indispensabile per la biologia molecolare, Agrobacterium tumefaciens per produrre piante transgeniche. -­‐  Uso dei baHeri per produzione di sostanze u9li (vitamine, an9bio9ci, ormoni…). -­‐  Biorecupero: per pulire il acqua, l’aria o il suolo. -­‐  Produzione di plas9ca biodegradabile. -­‐  Produzione di biofuel. -­‐  AddiriHura si cerca di fare baHeri completamente nuovi (producendo un cromosoma baHerico ar9ficiale) che possano fare quello che vogliamo noi! Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che CELLULE EUCARIOTICHE Formano organismi unicellulari o pluricellulari (funghi, piante, animali). Hanno un nucleo… e mol9 altri organuli! Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Il nucleo: dove si raccoglie il DNA con le istruzioni gene9che. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che I mitocondri: dove si produce l’energia per la cellula. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che I cloroplas9: dove la luce e il CO2 si combinano per produrre glucosio mediante la fotosintesi. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Organuli membranosi: re9colo endoplasma9co, apparato di Golgi: la fabbrica della cellula. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Organuli membranosi: re9colo endoplasma9co, apparato di Golgi: la fabbrica della cellula. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Organuli membranosi: vescicole di trasporto, endosomi e altri: i trasportatori cellulari. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Lisosomi e perossisomi: compi9 speciali di metabolismo cellulare. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Il citosole: il medio gela9noso che circonda tuHo, e dove tante cose accadono. Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Il citoscheletro: lo scheletro della cellula. Filamen9 di ac9na Microtubuli Filamen9 intermedi Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Virus e cellule procariote ed eucario9che Il citoplasma: fra la membrana plasma9ca (esterna) e il nucleo. E il tuHo è in movimento! Biotecnologie Agro-­‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos