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
