1

Il raggruppamento in

HA LA PRETESA DI RAPPRESENTARE UNA

CLASSIFICAZIONE NATURALE

E DI INDICARE LE

RELAZIONI FILOGENETICHE

DEI TRE GRUPPI

Eukarya, Archaea, Bacteria Strutturali – Biochimiche - Funzionalidegli organismi viventi

Procarioti ed Eucarioti condividono le proprietàfondamentali

A livello di processi biologici:

Replicazione

Riproduzione

Metabolismo

Strutturali – Biochimiche - Funzionalidegli organismi viventi

Procarioti ed Eucarioti condividono le proprietàfondamentali

A livello di meccanismi:

Flusso dell’informazione genetica:

DNA RNA Proteine

“Lingua”:

Codice genetico

ALCUNE CLASSIFICAZIONI "GLOBALI" DEGLI ORGANISMI VIVENTI

PLURICELLULARI UNICELLULARI

EUCARIOTIEukarya

PROCARIOTI"Bacteria", “Batteri”

E UNICELLULARI(Protista,

microrganismi eucarioti)

(Monera,microrganismi procarioti)

(E ANCHE PLURICELLULARI)

BacteriaArchaeaEukarya

2

tem

po(M

iliar

di d

i ann

i)

Gli organismi viventi differiscono tra loro.ogni organismo vivente deriva da un altro (o due altri) organismi. Gli organismi attuali differiscono da quelli che esistevano tempo fa.

3.5

0

E’possibile ricostruire una filogenesi.

Gli organismi attuali derivano da organismi diversi da quelli che conosciamo.

E’possibile ricostruire una filogenesi.

tem

po(M

iliar

di d

i ann

i)

3.5

0

LUCALast Universal

Common Ancestor

Gli organismi viventi differiscono tra loro.Ogni organismo vivente deriva da un altro (o due altri) organismi. Gli organismi attuali differiscono da quelli che esistevano tempo fa. Gli organismi attuali derivano da organismi diversi da quelli che conosciamo.

L’unitarietà del mondo vivente fa ritenere che tutti gli organismi attuali derivino da un progenitore comune.

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

Variabilità delle sequenze dell‘RNA 16S ribosomale come „lineaguida“ della classificazione tassonomica molecolare

Le regioni del 16S presentano alternanzadi sequenze altamente conservate e sequenze variabili, conservate peròall‘interno di organismi vicini da un puntodi vista tassonomico

3

EUCARIOTI PROCARIOTI

EUKARYAARCHAEA

PLURICELLULARI BACTERIA

UNICELLULARIUNICELLULARI

ORGANISMI VIVENTI Albero filogenetico universale

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.)

CEL

LUL A

EU

CA

RIO

TE e

PR

OC

AR

IOT E

http://micro.magnet.fsu.edu/cells/index.html

4

Parete cellulareMembrana cellulare Apparato per la replicazione del DNAApparato per la trascrizioneApparato per la traduzione (ribosomi …)….

CELLULE EU- CARIOTECELLULE PRO- CARIOTE

Nucleo (membrana nucleare, cromosomi …)Altri organelli delimitati da membrana:

Mitocondrio, Cloroplasto, Apparato di Golgi, Reticolo endoplasmatico ...

Meccanismi di divisione cellulare

Le DIFFERENZE riguardano :

• 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)

Bacteria (versus Archaea)

La cellula procariote (Bacteria e Archaea)

Morfologia generale

Composizione chimica: - elementare- molecolare - macromolecolare

Strutture supramolecolari: - involucro esterno (membrana, parete, capsula, ...)

- citoplasma, nucleoide, ribosomi, ...

Problemi generali nella costruzione di una cellula:- materia- energia- informazione

QUESTA L

EZIONE

CEL

L ULA

PR

OC

AR

IOTE

5

Dimensione di riferimento: 1-5 µmI BATTERI SONO PICCOLI

Thiomargarita namibiensis

Epulopiscium fishelsoni

ma ce n’è di più piccoli (meno di 0.2 µm)

o di più grandi (quasi 1 mm)

Dimensioni dei batteri

COCCHI

BASTONCELLI

SPIRILLI

SPIROCHETE

PROSTECATI

FILAMENTI

… IFE …

I BATTERI POSSONO AVERE FORME DIVERSE …

diplococco

streptococco

sarcina

stafilococco

… E TROVARSI ISOLATI , O IN AGGREGATI CARATTERISTICI DI POCHE CELLULE…

ifa

6

colonie

miceli

biofilm

…

… O IN AGGREGATI MULTICELLULARI Composizione chimica dei procarioti

del tutto simile a quella degli eucarioti

con alcune differenze rilevanti che riguardano molecole che compongono

- la parete dei Bacteria- la membrana degli Archaea

Elemento % peso secco

Funzione Origine

Carbonio 50 Costituente principale del materiale cellulare Composti organici; CO2

Ossigeno 20 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Accettore di elettroni nella respirazione aerobica

Composti organici; H2O; CO2; O2

Azoto 14 Costituente degli aminoacidi, basi azotate, lipidi complessi, coenzimi, etc.

Composti organici NH3; NO3

-; N2 Idrogeno 8 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Composti organici

H2O; H2 ... Fosforo 3 Costituente degli acidi nucleici, nucleotidi, …

Partecipa in molte reazioni metaboliche PO4

3- Composti organici

Zolfo 1 Costituente di metionina e cisteina (aminoacidi), glutatione, molti coenzimi

SO42- ; H2S; S0

Composti organici Potassio 1 Principale catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Sali di potassio Magnesio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Sali di Magnesio Calcio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi,

componente delle endospore Sali di Calcio

Ferro 0.2 Cofattore per alcuni enzimi, componente dei citocromi e di altre ferro-proteine

Sali di Ferro

Mn, Co, Zn, Cu, Mo, Se …

Tracce Cofattori o costituenti di enzimi e coenzimi… Sali relativi

ANALISI ELEMENTAREElemento % peso

secco Funzione Origine

Carbonio 50 Costituente principale del materiale cellulare Composti organici; CO2

Ossigeno 20 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Accettore di elettroni nella respirazione aerobica

Composti organici; H2O; CO2; O2

Azoto 14 Costituente degli aminoacidi, basi azotate, lipidi complessi, coenzimi, etc.

Composti organici NH3; NO3

-; N2 Idrogeno 8 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Composti organici

H2O; H2 ... Fosforo 3 Costituente degli acidi nucleici, nucleotidi, …

Partecipa in molte reazioni metaboliche PO4

3- Composti organici

Zolfo 1 Costituente di metionina e cisteina (aminoacidi), glutatione, molti coenzimi

SO42- ; H2S; S0

Composti organici Potassio 1 Principale catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Sali di potassio Magnesio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi Sali di Magnesio Calcio 0.5 Catione cellulare, cofattore per alcuni enzimi,

componente delle endospore Sali di Calcio

Ferro 0.2 Cofattore per alcuni enzimi, componente dei citocromi e di altre ferro-proteine

Sali di Ferro

Mn, Co, Zn, Cu, Mo, Se …

Tracce Cofattori o costituenti di enzimi e coenzimi… Sali relativi

ANALISI ELEMENTARE

7

ANALISI MOLECOLARE

260,000

2

22,000,000

5,0002,500,000

25,000,000

Molecole/cellula

201Ioni inorganici

3503Monomeri, precursori, altre

1,00020RNA

1(+)3DNA

411Lipidi

27Polisaccaridi2,00055Proteine3,00096 Macromolecole

Tipi diversi(principali)

% MOLECOLA

I numeri sono indicativi e approssimativi

Neidhardt PBCQueste macromolecole sono organizzate nelle complesse strutture che costituiscono la cellula

L'ESISTENZA DI QUESTI SISTEMI COMPLESSI

dipende dalla loro capacità di:

- MANTENERSI

- CRESCERE

- MOLTIPLICARSI

- EVOLVERE

LIPIDI

LIPOPOLI-SACCARIDI

GLICOGENO

MUREINA

PROTEINE

RNA

DNA

COME “SI COSTRUISCE” UNA CELLULA BATTERICA (esempio: E. coli)

RIFORNIMENTO DI MATERIE PRIME E DI ENERGIA

“MATTONI” DA COSTRUZIONE

MACRO-MOLECOLE

STRUTTURE CELLULARI

METABOLITI PRECURSORI

(~12)

ENERGIA METABOLICA

“POTERE RIDUCENTE”

ACIDI GRASSI

(~8)

ZUCCHERI(~25)

AMINOACIDI(~20)

NUCLEOTIDI(~8)

INCLUSIONI

INVOLUCRO

FLAGELLI

PILI

CITOSOL

RIBOSOMI

NUCLEOIDE

GLUCOSIO

PO43- SO4

2-

NH4+

8

PER MANTENERSI, RIPRODURSI, EVOLVERE

le cellule necessitano di:

- MATERIA

- 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.

GLI ORGANISMI VENGONO SPESSO CLASSIFICATI

IN BASE ALLE MODALITA' CON CUI

- ACQUISISCONO IL CARBONIO DI CUI NECESSITANO

- SI PROCURANO L'ENERGIANECESSARIA PER I PROCESSI CELLULARI

Non si tratta di una classificazione filogenetica, ma funzionale

MATERIA – I: CARBONIO

le cellule viventi possono ottenere il carbonio di cui necessitano:

- da sostanze “organiche”

ETEROTROFI

- da carbonio inorganico (CO2)

AUTOTROFI

MATERIA – I: CARBONIO (bis)

le cellule viventi eterotrofe hanno requisiti nutrizionali molto diversificati:

- necessità di una unica sostanza organica come fonte di carbonio

PROTOTROFI

- necessità di più sostanze organiche come fonti di carbonio per biosintesi macromolecolari

AUXOTROFI

9

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): fissazione

MATERIA – II: AZOTO

P: da PO43- , composti organici

S: da SO42-, H2S, S0, composti organici

…

MATERIA: III - TUTTO IL RESTO …