Bacteria Archaea Eukarya
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Il raggruppamento in Eukarya, Archaea, Bacteria HA LA PRETESA DI RAPPRESENTARE UNA Procarioti ed Eucarioti condividono le proprietà fondamentali Strutturali – Biochimiche - Funzionali degli organismi viventi A livello di processi biologici: CLASSIFICAZIONE NATURALE E DI INDICARE LE RELAZIONI FILOGENETICHE Replicazione Riproduzione Metabolismo DEI TRE GRUPPI Procarioti ed Eucarioti condividono le proprietà fondamentali Strutturali – Biochimiche - Funzionali degli organismi viventi A livello di meccanismi: Flusso dell’informazione genetica: DNA RNA Proteine ALCUNE CLASSIFICAZIONI "GLOBALI" DEGLI ORGANISMI VIVENTI Eukarya EUCARIOTI PROCARIOTI Eukarya "Bacteria", “Batteri” PLURICELLULARI E UNICELLULARI “Lingua”: Archaea Bacteria (Protista, microrganismi eucarioti) UNICELLULARI (Monera, microrganismi procarioti) (E ANCHE PLURICELLULARI) Codice genetico 1 ¾ Gli organismi attuali derivano da organismi diversi da quelli che conosciamo. ¾ E’possibile ricostruire una filogenesi. ¾ Gli organismi viventi differiscono tra loro. ¾ Ogni organismo vivente deriva da un altro (o due altri) organismi. ¾ Gli organismi attuali differiscono da quelli che esistevano tempo fa. ¾ Gli organismi attuali derivano da organismi diversi da quelli che conosciamo. 0 tempo(Miliardi di anni) tempo(Miliardi di anni) 0 ¾ Gli organismi viventi differiscono tra loro. ¾ ogni organismo vivente deriva da un altro (o due altri) organismi. ¾ Gli organismi attuali differiscono da quelli che esistevano tempo fa. LUCA 3.5 3.5 La classificazione tassonomica utilizza metodi sempre più sofisticati • Analisi filogenetica “macroscopica”: animali/piante • Analisi filogenetica microscopica: presenza di un nucleo, parete cellulare, ecc. • Analisi filogenetica fisiologica/biochimica: presenza di vie metaboliche, di enzimi specifici, ecc. (es. metabolismo anaerobio) • Analisi filogenetica molecolare: conservazione di sequenze del DNA Last Universal Common Ancestor ¾ E’possibile ricostruire una filogenesi. ¾ L’unitarietà del mondo vivente fa ritenere che tutti gli organismi attuali derivino da un progenitore comune. Variabilità delle sequenze dell‘RNA 16S ribosomale come „linea guida“ della classificazione tassonomica molecolare Le regioni del 16S presentano alternanza di sequenze altamente conservate e sequenze variabili, conservate però all‘interno di organismi vicini da un punto di vista tassonomico 2 Albero filogenetico universale ORGANISMI VIVENTI EUCARIOTI PLURICELLULARI EUKARYA UNICELLULARI PROCARIOTI BACTERIA ARCHAEA Teoria endosimbiontica per mitocondri e cloroplasti • Organelli quali mitocondri e cloroplasti derivano dall’”ingestione”, rispettivamente, di batteri o alghe o batteri fotosintetici da parte di altri organismi microscopici • La base della teoria endosimbiontica poggia sulla somiglianza tra organelli e cellule procariotiche a livello di dimensioni e aspetti fisiologici (presenza di DNA autonomo, ecc.) CELLULA EUCARIOTE e PROCARIOTE UNICELLULARI http://micro.magnet.fsu.edu/cells/index.html 3 CELLULE CELLULE EU- CARIOTE PRO- CARIOTE Le DIFFERENZE riguardano : A - elementare - molecolare - macromolecolare Strutture supramolecolari: - involucro esterno (membrana, parete, capsula, ...) - citoplasma, nucleoide, ribosomi, ... CELLULA PROCARIOTE Composizione chimica: QU ES T Morfologia generale LE ZI O La cellula procariote (Bacteria e Archaea) NE Nucleo (membrana nucleare, cromosomi …) Altri organelli delimitati da membrana: Mitocondrio, Cloroplasto, Apparato di Golgi, Reticolo endoplasmatico ... Meccanismi di divisione cellulare Parete cellulare Membrana cellulare Apparato per la replicazione del DNA Apparato per la trascrizione Apparato per la traduzione (ribosomi …) …. Bacteria (versus Archaea) • Gruppo più numeroso • Includono i procarioti più importanti dal punti di vista medico • (Relativamente) poche specie vivono in “ambienti estremi” • Nessuna specie nota produce metano • Includono tutte le specie procarioti note che fanno fotosintesi (Cianobatteri, batteri “verdi”, alcuni gruppi di batteri “rossi”) •… • Importanti dettagli molecolari (composizione della membrana citoplasmatica e della parete, apparato trascrizionale e traduzionale) Problemi generali nella costruzione di una cellula: - materia - energia - informazione 4 I BATTERI SONO PICCOLI Dimensioni dei batteri Dimensione di riferimento: 1-5 µm ma ce n’è di più piccoli (meno di 0.2 µm) o di più grandi (quasi 1 mm) Thiomargarita namibiensis Epulopiscium fishelsoni I BATTERI POSSONO AVERE FORME DIVERSE … … E TROVARSI ISOLATI , O IN AGGREGATI CARATTERISTICI DI POCHE CELLULE… COCCHI diplococco BASTONCELLI streptococco SPIRILLI sarcina SPIROCHETE stafilococco PROSTECATI FILAMENTI ifa … IFE … 5 Composizione chimica dei procarioti … O IN AGGREGATI MULTICELLULARI colonie del tutto simile a quella degli eucarioti miceli con alcune differenze rilevanti che riguardano molecole che compongono biofilm - la parete dei Bacteria - la membrana degli Archaea … ANALISI ELEMENTARE Elemento Carbonio % peso Funzione secco 50 Costituente principale del materiale cellulare Ossigeno 20 Azoto 14 Idrogeno 8 Composti organici; CO2 Composti organici; H2O; CO2; O2 Composti organici NH3; NO3-; N2 Composti organici H2O; H2 ... PO43Composti organici SO42- ; H2S; S0 Composti organici Sali di potassio Sali di Magnesio Sali di Calcio Elemento Carbonio % peso Funzione secco 50 Costituente principale del materiale cellulare Ossigeno 20 Azoto 14 Idrogeno 8 Costituente degli acidi nucleici, nucleotidi, … Partecipa in molte reazioni metaboliche 1 Costituente di metionina e cisteina (aminoacidi), Zolfo glutatione, molti coenzimi 1 Principale catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Potassio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Magnesio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi, Calcio componente delle endospore 0.2 Cofattore per alcuni enzimi, componente dei citocromi e Sali di Ferro Ferro di altre ferro-proteine Sali relativi Mn, Co, Zn, Tracce Cofattori o costituenti di enzimi e coenzimi… Fosforo 3 Zolfo 1 Cu, Mo, Se … Cu, Mo, Se … Fosforo 3 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Accettore di elettroni nella respirazione aerobica Costituente degli aminoacidi, basi azotate, lipidi complessi, coenzimi, etc. Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare ANALISI ELEMENTARE Origine Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Accettore di elettroni nella respirazione aerobica Costituente degli aminoacidi, basi azotate, lipidi complessi, coenzimi, etc. Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Origine Composti organici; CO2 Composti organici; H2O; CO2; O2 Composti organici NH3; NO3-; N2 Composti organici H2O; H2 ... PO43Composti organici SO42- ; H2S; S0 Composti organici Sali di potassio Sali di Magnesio Sali di Calcio Costituente degli acidi nucleici, nucleotidi, … Partecipa in molte reazioni metaboliche Costituente di metionina e cisteina (aminoacidi), glutatione, molti coenzimi 1 Principale catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Potassio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Magnesio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi, Calcio componente delle endospore 0.2 Cofattore per alcuni enzimi, componente dei citocromi e Sali di Ferro Ferro di altre ferro-proteine Sali relativi Mn, Co, Zn, Tracce Cofattori o costituenti di enzimi e coenzimi… 6 PBC Queste macromolecole sono organizzate nelleNeidhardt complesse strutture che costituiscono la cellula ANALISI MOLECOLARE MOLECOLA 96 Molecole/ cellula 25,000,000 Proteine Polisaccaridi 55 7 2,500,000 5,000 2,000 2 Lipidi 11 22,000,000 4 DNA 3 2 RNA 20 260,000 Monomeri, precursori, altre Ioni inorganici 3 350 1 20 Macromolecole % Tipi diversi (principali) 3,000 1(+) 1,000 I numeri sono indicativi e approssimativi COME “SI COSTRUISCE” UNA CELLULA BATTERICA (esempio: E. coli) L'ESISTENZA DI QUESTI SISTEMI COMPLESSI ACIDI GRASSI (~8) dipende dalla loro capacità di: - MANTENERSI - CRESCERE - MOLTIPLICARSI - EVOLVERE METABOLITI PRECURSORI (~12) PO4 3- SO4 2- GLUCOSIO NH4+ ZUCCHERI (~25) LIPIDI LIPOPOLISACCARIDI INVOLUCRO GLICOGENO MUREINA AMINOACIDI (~20) PILI CITOSOL RNA NUCLEOTIDI (~8) DNA RIFORNIMENTO DI MATERIE PRIME E DI ENERGIA FLAGELLI PROTEINE ENERGIA METABOLICA “POTERE RIDUCENTE” INCLUSIONI “MATTONI” DA COSTRUZIONE MACROMOLECOLE RIBOSOMI NUCLEOIDE STRUTTURE CELLULARI 7 PER MANTENERSI, RIPRODURSI, EVOLVERE le cellule necessitano di: GLI ORGANISMI VENGONO SPESSO CLASSIFICATI IN BASE ALLE MODALITA' CON CUI - MATERIA - ACQUISISCONO IL CARBONIO DI CUI NECESSITANO - ENERGIA - INFORMAZIONE Le modalità con cui gli organismi si procurano - l'energia - il carbonio per la costruzione di tutte le molecole organiche di cui sono composti sono aspetti molto importanti e caratterizzanti del METABOLISMO cellulare. - SI PROCURANO L'ENERGIA NECESSARIA PER I PROCESSI CELLULARI Non si tratta di una classificazione filogenetica, ma funzionale MATERIA – I: CARBONIO MATERIA – I: CARBONIO (bis) le cellule viventi possono ottenere il carbonio di cui necessitano: le cellule viventi eterotrofe hanno requisiti nutrizionali molto diversificati: - da sostanze “organiche” ETEROTROFI - da carbonio inorganico (CO2) AUTOTROFI - necessità di una unica sostanza organica come fonte di carbonio PROTOTROFI - necessità di più sostanze organiche come fonti di carbonio per biosintesi macromolecolari AUXOTROFI 8 MATERIA – II: AZOTO MATERIA: III - TUTTO IL RESTO … le cellule viventi possono ricavare l'azoto di cui necessitano: - da sostanze organiche (es: aminoacidi) - da N inorganico combinato (NH4+; NO3-; …): assimilazione - da N elementare (N2): P: da PO43- , composti organici S: da SO42-, H2S, S0, composti organici … fissazione 9
