Alcune diapositive fatte vedere lezione

Insegnamento
Biologia della Cellula Animale e Vegetale
(9 CFU)
Unità didattica:
Biologia della Cellula Animale (6 CFU)
... Un’enorme diversità di organismi,
ma meccanismi strutturali, genetici e metabolici simili
INTRODUZIONE
Proprietà fondamentali delle entità
«viventi»:
METABOLISMO: reazioni organizzate
secondo vie metaboliche coerenti.
IRRITABILITA’: percezione e risposta
ai fattori ambientali
CAPACITA’ DI RIPRODURSI
I diversi microambienti della Terra
richiedono strategie di adattamento molto
diverse ad animali, piante, ...
.. ed anche agli organismi unicellulari Procariotici ed Eucarioti, in
particolare ai Procarioti detti Estremofili
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Estremofili
Questi organismi prosperano in condizioni che ucciderebbero altri esseri
viventi grazie a particolari enzimi utilizzabili anche in processi industriali.
USO DEGLI ESTREMOFILI (1)
Osservando le caratteristiche di temperatura, pH o salinità possiamo
individuare diversi tipi di habitat estremi.
• Gli ambienti caratterizzati da temperature elevate sono generalmente
associati a zone in cui si rileva anche attività sismica e/o fenomeni vulcanici.
• Habitat terrestri con temperature elevate sono le solfatare, circa 100°C,
caratterizzate anche da un ambiente acido per la presenza di solfati, i
soffioni, i gayser, le acque termali, insomma tutti quei fenomeni di
geotermia che si manifestano, talvolta in modo molto spettacolare, sul
nostro pianeta.
• Nelle profondità dei mari esistono sia abissi freddi e bui, sia luoghi che,
per la presenza di attività vulcaniche, hanno temperature che possono
raggiungere i 400°C; in particolare sono noti i black smokers, condotti
che emergono dalle viscere della crosta terrestre sul fondale degli
oceani dai quali fuoriescono sostanze a temperature elevatissime e che
creano attorno a loro un habitat veramente particolare.
http://leonardodavinci.csa.fi.it/studenti/altrimondi/ambienti/uso-estremofili.htm
USO DEGLI ESTREMOFILI (2)
All'estremo opposto troviamo le fredde zone artiche ed
antartiche che hanno temperature (in Antartide) comprese
tra -40° e +20°C.
La salinità normale dei mari è circa 3,5% ma ci sono
acque di alcuni laghi, come il Mar Morto e il Gran Lago
Salato in Utah, in cui la concentrazione di cloruro di sodio
si fa altissima (circa 5.2 M), é così elevata da arrivare a
saturazione.
USO DEGLI ESTREMOFILI (3)
I batteri che popolano questi ambienti, a seconda del tipo di
habitat, vengono classificati come:
termofili (resistenti alle temperature elevate),
psicrofili (resistenti alle basse temperature),
acidofili (resistenti a pH acido),
alcalofili (resistenti a un valore di pH superiore a 10)
alofili (resistenti alle elevate concentrazioni saline).
Habitat estremi per il pH sono, oltre le già citate solfatare,
i suoli di alcuni deserti e le acque di numerosi laghi, che
presentano un alto livello di alcalinità.
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USO DEGLI ESTREMOFILI (4)
Questi particolari microrganismi, infatti, per
sopravvivere e prosperare in condizioni così avverse,
hanno sviluppato proprietà speciali quali ad esempio
strutture e componenti chimici particolari per le
membrane cellulari, processi metabolici incredibili,
meccanismi di trasformazione dell'energia e di
regolazione dell'ambiente intracellulare molto
particolari.
Per fare questo hanno elaborato biomolecole
estremamente stabili e dinamiche: proteine, lipidi, e
altre biomolecole in grado di resistere agli assalti di
ambienti tanto estremi.
USO DEGLI ESTREMOFILI (5)
Le potenzialità applicative di questi microrganismi sono
enormi e toccano i settori più diversi.
Nei processi condotti a temperature superiori ai 50°C, in
cui si ottengono un alto grado di diffusione e solubilità di
composti, una ridotta viscosità e tensione superficiale, un
facile recupero di prodotti volatili e la soppressione di
organismi patogeni per l'uomo, l'impiego di batteri
termofili va sostituendo i tradizionali mesofili perché i loro
enzimi non si denaturano alle alte temperature.
USO DEGLI ESTREMOFILI (6)
USO DEGLI ESTREMOFILI (7)
Batteri termofili sono attualmente usati nella produzione
di alcoli e altri composti biologicamente attivi
(carotenoidi, aminoacidi, antibiotici), nella rimozione di
ioni metallici e composti organici da rifiuti solidi o
acquosi.
Enzimi termofili sono usati in campo alimentare per la
produzione di sciroppi ad alto contenuto di zuccheri
(amilasi, xiloso isomerasi, pullulanasi) e per migliorare le
proprietà organolettiche (pectinasi) o la digeribilità di
taluni cibi (beta galattosidasi); diverse proteasi e lipasi
termofile trovano impiego nell'industria dei detergenti e
nei processi di panificazione, la proteasi termolisina di
Bacillus thermoproteolyticus é impiegata nella sintesi del
dipeptide aspartame, un dolcificante a basso contenuto
calorico.
Enzimi termofili sono utilizzati anche in campo medicobiologico quali precursori di farmaci, o, come le DNA
polimerasi e DNA ligasi termofile, impiegate nella tecnica
della PCR (Polymerase Chain Reaction) utilizzata in
medicina diagnostica, in biologia molecolare, in
tassonomia.
Alcune proteine termofile potrebbero essere utili in
patologie umane come il morbo di Alzheimer, il morbo di
Creutzieldt-Jakob (il "morbo della mucca pazza"), la
fibrosi cistica, l'enfisema, il morbo di Tay-Sachs.
Polymerase Chain Reaction (PCR)
Reverse Transcription - Polymerase Chain
Reaction (RT-PCR)
Reazione a
catena della
polimerasi
http://it.wikipedia.org/wiki/Reazione_a_catena_della_p
olimerasi
http://www.gene-quantification.de/block.html
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USO DEGLI ESTREMOFILI (8)
I batteri psicrofili hanno lipidi ricchi di acidi grassi polinsaturi (come
l'acido gamma linolenico e l'acido arachidonico) che sono
precursori di prostacicline, prostaglandine, leucotrieni; potrebbero
essere impiegati per arricchire diete in alcune particolari patologie
(neuropatia diabetica ed eczema atopico). Anche le loro proteasi
sono attive a basse temperature e possono essere impiegate nella
produzione di formaggi. Alcuni psicrofili sono utilizzati per produrre
neve artificiale o nell'industria del gelato, per la loro capacità di
formare cristalli di ghiaccio a temperature attorno agli 8°C.
I batteri acidofili possono essere utilizzati per l'estrazione di metalli
(l'acidofilo Thiobacillus ferrooxidans viene utilizzato per ottenere il
rame) ma potrebbero essere impiegati per limitare il fenomeno di
inquinamento noto come "pioggia acida".
USO DEGLI ESTREMOFILI (9)
I batteri alcalofili producono ciclodestrine, alcune specie
producono proteine con attività antibatterica e
antifungina. Le loro proteasi sono utilizzate per i
detergenti biologici.
Gli alofili, adattati a livelli di salinità molto elevati,
presentano una grande quantità di nuove molecole
utilizzabili in vari settori: nella costruzione di materiali
plastici biodegradabili e biocompatibili, nell'industria dei
detergenti e per il recupero di olii, come nuovi antibiotici
e composti antivirali. Addirittura una proteina di
Halobacterium halobium potrebbe essere utilizzata nello
screening precoce di insorgenza di alcuni tumori.
USO DEGLI ESTREMOFILI (10)
I batteri alofili producono una vasta gamma di piccoli
composti organici compatibili con il metabolismo cellulare
(zuccheri, aminoacidi, betaine ed ectoine) e responsabili
dell'equilibrio osmotico della cellula e della
stabilizzazione di proteine e acidi nucleici. Una sostanza
prodotta dai batteri alofili per regolare la loro
concentrazione interna di acqua, chiamata dai ricercatori
ectoina, è utilizzata nella produzione di creme e prodotti
idratanti. Ci sono anche microrganismi, anche di habitat
tradizionale, capaci di accumulare radionuclidi e metalli
pesanti, in un prossimo futuro potrebbero essere utilizzati
nell'industria del trattamento dei rifiuti.
La teoria cellulare stabilisce:
Tutti gli organismi sono composti da una o più
cellule.
Le cellule sono l’unità fondamentale della
struttura e funzione degli organismi.
Tutte le cellule provvengono da altre cellule.
Batterio (Procariota)
http://2.bp.blogspot.com/-VJV6JNZF_3Q/TV6H0EkTxcI/AAAAAAAAAAQ/7gd4-qA-85I/s1600/04-T02_Prok&Euka.jpg
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Caratteristica
Nucleo
Organelli circondati da
membrana
Cromosomi (DNA)
Divisione cellulare
(asessuale)
PROCARIOTI
& EUCARIOTI
differenze
chiave
Parete cellulare
Ribosomi
Cellula procariotica
Assente. Non esiste
involucro nucleare
Assenti
Singolo cromosoma
circolare nella regione
“nucleoide” del
citoplasma, associato a
proteine di tipo istonico
Non si forma un vero
apparato mitotico. Si
dividono per fissione
binaria o frammentazione
Eubacteria: hanno una
parete cellulare con
peptidoglicano
Archae: hanno pareti
cellulari con
pseudomureina
70S. Liberi nel citoplasma
Citoscheletro
Identificato nel Bacillus
subtilis; probabilmente
presente negli altri Batteri
Flagelli
Quando presente contiene
la proteina flagellina
Eubacteria: Acidi grassi
legati al glicerolo da un
legame estere
Archae: Idrocarburi legati
al glicerolo da un legame
etere
Lipidi delle membrane
(cito)plasmatiche
Cellula eucariotica
Presente, con involucro
nucleare e nucleolo(i)
Presenti. Includono
mitocondri, cloroplasti
(piante), lisosomi, ecc.
Cromosomi lineari multipli
con proteine istoniche
Mitosi
Cellule animali: non hanno
parete cellulare
Cellule vegetali: parete di
cellulosa
Cellule funginee: parete di
chitina
80S: Sia liberi nel
citoplasma che legati al RE
ruvido
70S: nei mitocondri e nei
cloroplasti
Presente; consiste di
microtubuli,
microfilamenti e filamenti
intermedi
Contiene microtubuli in
disposizione 9+2
Acidi grassi legati al
glicerolo da un legame
estere
ORGANISMI UNICELLULARI: DIVERSITA’
Eucarioti
Unicellularità vs Pluricellularità
Gli organismi unicellulari (ad es. Batteri e protozoi) si sono adattati con
tanto successo alla gran varietà di microambienti che ora comprendono
più della metà della biomassa sulla Terra. Al contrario degli animali,
molti di questi organismi unicellulari possono sintetizzare tutte le
sostanze che necessitano a partire da nutrienti semplici e alcuni si
dividono una volta ogni ora.
Quale è stato allora il vantaggio della multicellularità?
La risposta è che mediante collaborazione e divisione del lavoro
diventa possibile esplorare le risorse che nessun organismo
unicellulare sfrutterebbe così bene.
A misura che sono comparsi i diversi tipi di animali e piante, essi
hanno cambiato l’ambiente e provocato ulteriore evoluzione.
Innovazioni nei tipi di movimento, sensibilità all’ambiente,
comunicazione, organizzazione sociale, ecc., hanno permesso agli
organismi eucarioti di competere, propargarsi e sopravvivere in
modi progressivamente più complessi.
ORGANISMI MULTICELLULARI
Derivano dall’organizzazione complessa di cellule che
collaborano fra di loro.
Le cellule specializzate, dette “differenziate” svolgono funzioni
diverse.
Si rendono necessari nuovi meccanismi per la comunicazione e la
regolazione delle cellule.
I diversi tipi cellulari di un organismo
multicellulare contengono lo stesso DNA
I tipi cellulari di un organismo multicellulare diventano
diversi perchè sintetizzano e accumulano diversi insiemi
di molecole di RNA e di proteine.
Ci sono meccanismi particolari perchè una singola cellula uovo
fecondata (zigote) si sviluppi nei diversi tipi di tessuti del corpo.
Nell’Uomo vi sono 1014 (centomila miliardi) di cellule che si
organizzano formando 200 tipi di tessuti!
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Lo stesso genoma
Organi diversi dello stesso organismo
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