I ProcariotiI ProcariotiLic. Classico “D.A. Azuni”Lic. Classico “D.A. Azuni”

SassariSassari

Prof. Paolo Abis

CELLULA si riproducescambia materia

ed energia

con l’ambiente

si autoregolasi autoregola

si può evolvere

La cellula : espressione minima della vitaLa cellula : espressione minima della vita

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule: è la cellula la più piccola porzione organizzata di materia che possiede le caratteristiche della vita.

parete cellulare

ribosomicitoplasma

regione nuclearemembrana cellulare

La cellula procariota è organizzata per garantire la sopravvivenza di organismi molto semplici, con minime richieste energetiche, e non risulta specializzata nel compiere funzioni particolari.

Tutto il volume cellulare è occupato da un liquido di consistenza gelatinosa (il citoplasma), in cui sono immersi tuti i costituenti chimici della cellula, e dei piccoli organuli (ribosomi), deputati alla sintesi delle proteine.

Il materiale genetico (DNA) si trova fluttuante nel citoplama, in una regione priva di una membrana che la delimiti (non esiste un nucleo vero e proprio).

Esiste invece una struttura rigida di protezione e di contenimento, la parete cellulare, che la separa dall’ambiente esterno.

La cellula procariotaLa cellula procariota

membrana cellulare

nucleo

citoplasma

membrana nucleare

mitocondri

La cellula eucariota è un tipo di cellula molto più voluminosa e complessa della cellula procariota. Al suo interno lo spazio è organizzato in settori cui compete una certa funzione in modo da assicurarne la sopravvivenza e la riproduzione.

Le diverse regioni all’interno della cellula sono delimitate da membrane interne. In particolare , una membrana (membrana nucleare) delimita il nucleo, in cui si trova il materiale genetico (DNA) che presiede al controllo di tutte le attività della cellula stessa.

La cellula eucariota possiede inoltre numerosi organuli, in alcuni dei quali hanno luogo i processi metabolici fondamentali : nei ribosomi, ad es.,avviene la sintesi delle proteine; i mitocondri sono la sede della respirazione cellulare

La cellula eucariotaLa cellula eucariota

Reticolo endoplasmaticocon ribosomi

ESISTONO DUE TIPI FONDAMENTALI DI ESISTONO DUE TIPI FONDAMENTALI DI ORGANIZZAZIONE CELLULAREORGANIZZAZIONE CELLULARE

CELLULA PROCARIOTE CELLULA EUCARIOTE

Dimensioni Dimensioni

Involucro nucleareInvolucro nucleare

Parete cellulareParete cellulare

Organelli cellulari delimitati da Organelli cellulari delimitati da membranamembrana

VacuoliVacuoli

RibosomiRibosomi

MesosomiMesosomi

CitoscheletroCitoscheletro

Mitosi con cromosomi e fusoMitosi con cromosomi e fuso

Riproduzione sessuataRiproduzione sessuata

Flagelli con assonemaFlagelli con assonema

0.2 – 2 m

--

--

--

--

--

--

--

5 – 50 m

/-

--

LE CELLULE PROCARIOTI SONO MOLTO PIU’ PICCOLE LE CELLULE PROCARIOTI SONO MOLTO PIU’ PICCOLE DELLE CELLULE EUCARIOTIDELLE CELLULE EUCARIOTI

Zoom sulla punta di uno spilloX 50

X 1250

X 6000

X 30 000

SOLO CON L’AVVENTO DELLA MICROSCOPIA ELETTRONICA, SOLO CON L’AVVENTO DELLA MICROSCOPIA ELETTRONICA, NEGLI ANNI ’50 DEL SECOLO SCORSO, E’ STATO POSSIBILE NEGLI ANNI ’50 DEL SECOLO SCORSO, E’ STATO POSSIBILE

INDAGARE LA STRUTTURA DELLA CELLULA PROCARIOTEINDAGARE LA STRUTTURA DELLA CELLULA PROCARIOTE

STRUTTURA DELLA CELLULA PROCARIOTESTRUTTURA DELLA CELLULA PROCARIOTE

NEI PROCARIOTI IL DNA E’ A DIRETTO CONTATTO CON IL NEI PROCARIOTI IL DNA E’ A DIRETTO CONTATTO CON IL CITOPLASMA ED IL CITOPLASMA E’ PRIVO DI ORGANELLI CITOPLASMA ED IL CITOPLASMA E’ PRIVO DI ORGANELLI

DELIMITATI DA MEMBRANADELIMITATI DA MEMBRANA

Il citoplasmaIl citoplasma :è racchiuso dalla membrana cellulare e contiene i diversi organuli della cellula immersi in una fase acquosa, di consistenza variabile, detta sostanza fondamentale o citosol. Questa è composta all’80% da acqua e per il resto da macromolecole proteiche in vari stati di aggregazione, acidi nucleici, ioni, polisaccaridi di riserva, ribosomi e granuli; immersi in questa sostanza vi sono anche dei plasmidi e il nucleoide. Alcune proteine formano un citoscheletro importante per la divisione cellulare, in quanto forma un anello Z che scompare quando si forma il setto divisorio.Il citoplasma è, inoltre, la sede di importanti funzioni metaboliche cellulari quali la sintesi proteica e la glicolisi anaerobica.

I ribosomi sono strutture tondeggianti diffuse in tutto

il citoplasma, ma in particolare dove gli enzimi sono più abbondanti. Sono formati da due unità che si associano durante la sintesi proteica. Entrambe le unità

sono costituite da RNA, quella più piccola solo di un

tipo, quella più grande di due tipi. La loro funzione è

intervenire nella costruzione delle proteine.

I RibosomiI Ribosomi

I plasmidi sono piccole molecole di DNA circolare a doppio filamento, presenti in natura nei batteri, di origine citoplasmatica e capace di autoreplicarsi. Questi elementi non sono essenziali per la vita del batterio, ma in particolari condizioni, gli possono conferire vantaggi selettivi (resistenza agli antibiotici, luminescenza……).Le dimensioni sono variabili da 2-3 geni fino a plasmidi che superano il cromosoma principale. Si possono trasmettere alla altre cellule tramite coniugazione.I plasmidi sono mezzi utilissimi nelle tecniche del DNA ricombinante perché permettono di amplificare un segmento di DNA anche un milione di volte tramite un processo chiamato clonazione del DNA.

I Plasmidi I Plasmidi

Il nucleoidenucleoide contiene il materiale genetico e può avere posizione centrale (nei Gram +) o periferica (nei Gram -). Contiene un solo

cromosoma formato da DNA associato a poliammide, che riducono l’acidità, a enzimi e a proteine, che regolano l’RNA messaggero.

La membrana cellulareLa membrana cellulare si trova tra la parete e il citoplasma, ed è molto simile a quella delle cellule eucariotiche. È costituita da un doppio È costituita da un doppio strato di molecole strato di molecole lipidichelipidiche, che rappresenta la struttura portante, tra le quali sono inserite delle molecole proteichemolecole proteiche, responsabili delle diverse funzioni della membrana:

• enzimi catalizzatori, • recettori di stimoli• proteine di trasporto di sostanze attraverso la membrana.

Morfologia 1.2

La sua funzione non è solo quella di selezionare la direzione e l’entità degli scambi con l’esterno, ma è legata anche alla divisione cellulare e, nei batteri che producono ATP tramite la respirazione, è sede degli enzimi del processo di respirazione cellulare

La parete cellulareLa parete cellulare circonda esternamente la cellula ed ha la funzione di proteggerla dalle variazioni osmotiche, di filtrare le macromolecole e di cooperare nella riproduzione. Troviamo al suo interno anche le porine che regolano l’ingresso delle sostanze nella cellula, complessi molecolari di trasporto che pompano verso l’esterno eventuali sostanza nocive e anche molti componenti immunogeni che inducono nell’ospite la reazione immunitaria per eliminare i batteri.

La capsulaLa capsula è uno strato di materiale di scarto che circonda la parete.I batteri che ne sono dotati risultano i più virulenti, in quanto si difendono con maggior efficacia.Questa capsula può servire anche per difendersi da improvvisi cambiamenti di temperatura (a troppo freddo o a troppo caldo) permettendo così al batterio di entrare in una fase di stasi finché le condizioni climatiche non tornano ottimali per lo svolgimento delle funzioni vitali e la riproduzione.

Batteri con capsula

I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIASULLA BASE DELLA MORFOLOGIA

COCCHI COCCHI BACILLIBACILLI SPIRILLISPIRILLI

LE CELLULE BATTERICHE POSSONO ASSOCIARSI A LE CELLULE BATTERICHE POSSONO ASSOCIARSI A FORMARE CATENELLE O AGGLOMERATI DI ALTRO TIPOFORMARE CATENELLE O AGGLOMERATI DI ALTRO TIPO

I BATTERI SONO CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA I BATTERI SONO CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA RISPOSTA ALLA COLORAZIONE DI GRAMRISPOSTA ALLA COLORAZIONE DI GRAM

Gram +

Gram -

DIVERSI BATTERI UTILIZZANO FLAGELLI PER DIVERSI BATTERI UTILIZZANO FLAGELLI PER MUOVERSIMUOVERSI

ALCUNI BATTERI HANNO CAPACITA’ FOTOSINTETICHEALCUNI BATTERI HANNO CAPACITA’ FOTOSINTETICHE

L’apparato fotosintetico è situato in membrane interne che L’apparato fotosintetico è situato in membrane interne che derivano da invaginazioni multiple del plasmalemma.derivano da invaginazioni multiple del plasmalemma.

I batteri fotosintetici utilizzano l’energia luminosa per produrre energia chimica utile per i processi vitali.

Batteri Fotosintetici

Batteri fotosinteticiBatteri fotosintetici

I BATTERI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE I BATTERI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DEL LORO METABOLISMODEL LORO METABOLISMO

I batteri chemiosintetici utilizzano i composti inorganici per soddisfare il loro fabbisogno eneregetrico e sintetizzare i propri costituenti, cellulari la differenza dalla fotosintesi è che la chemiosintesi può avvenire anche in assenza di luce.

Batteri chemiosintetici Batteri chemiosintetici

batteri spirilliformi, attivi nella biochimica dello zolfo.

• I batteri eterotrofiI batteri eterotrofi, come gli animali, sono , come gli animali, sono organismi che possono solamente metabolizzare organismi che possono solamente metabolizzare composti già sintetizzati da altri organismi.composti già sintetizzati da altri organismi.• La maggior parte dei batteri appartiene a questo La maggior parte dei batteri appartiene a questo gruppo.gruppo.• Si può compiere un successivo raggruppamento Si può compiere un successivo raggruppamento dividendo in questo gruppo i batteri saprofiti da dividendo in questo gruppo i batteri saprofiti da quelli parassiti.quelli parassiti.

• I batteri saprofitiI batteri saprofiti ottengono il cibo dalla materia ottengono il cibo dalla materia vegetale e animale in via di decomposizione.vegetale e animale in via di decomposizione.

• I batteri parassitiI batteri parassiti invece utilizzano il metabolismo invece utilizzano il metabolismo di altri animali per poi procurarsi il cibo (batteri di altri animali per poi procurarsi il cibo (batteri interni) senza però arrecare sempre dei danni interni) senza però arrecare sempre dei danni evidenti.evidenti.

Batteri eterotrofiBatteri eterotrofi

QUALE TIPO DI METABOLISMO POSSEDEVANO I PRIMI QUALE TIPO DI METABOLISMO POSSEDEVANO I PRIMI PROCARIOTI?PROCARIOTI?

SECONDO I SOSTENITORI DELLA TEORIA DEL “BRODO SECONDO I SOSTENITORI DELLA TEORIA DEL “BRODO PRIMORDIALE” LE PRIME CELLULE DOVEVANO ESSERE PRIMORDIALE” LE PRIME CELLULE DOVEVANO ESSERE ETEROTROFE E CAPACI DI NUTRIRSI A SPESE ETEROTROFE E CAPACI DI NUTRIRSI A SPESE DELL’ABBONDANTE MATERIA ORGANICA IN SOLUZIONE. DELL’ABBONDANTE MATERIA ORGANICA IN SOLUZIONE.

MOLTI DEI PROCESSI METABOLICI DEI BATTERI MOLTI DEI PROCESSI METABOLICI DEI BATTERI SONO FONDAMENTALI PER LA VITA SULLA SONO FONDAMENTALI PER LA VITA SULLA

TERRATERRAEs.: ciclo dell’azoto

BATTERI AZOTO-FISSATORI VIVONO IN SIMBIOSI ALL’INTERNO BATTERI AZOTO-FISSATORI VIVONO IN SIMBIOSI ALL’INTERNO DEI NODULI RADICALI DELLE LEGUMINOSEDEI NODULI RADICALI DELLE LEGUMINOSE

ALTRI PROCESSI METABOLICI BATTERICI IMPORTANTI ALTRI PROCESSI METABOLICI BATTERICI IMPORTANTI PER L’UOMOPER L’UOMO

Trasformazione dello zucchero ad alcoolTrasformazione dello zucchero ad alcool (fermentazione alcoolica: vino, birra, liquori)(fermentazione alcoolica: vino, birra, liquori)

Trasformazione dell’alcool ad acidoTrasformazione dell’alcool ad acido (fermentazione (fermentazione acida: aceto, yoghurt)acida: aceto, yoghurt)

Decomposizione di molecole organicheDecomposizione di molecole organiche ( (E. coliE. coli nell’intestino e utilizzata nel trattamento delle acque nell’intestino e utilizzata nel trattamento delle acque di scarico)di scarico)

Produzione di sostanze utili all’organismoProduzione di sostanze utili all’organismo (vitamine: batteri endosimbionti intestinali)(vitamine: batteri endosimbionti intestinali)

Digestione della cellulosaDigestione della cellulosa (batteri endosimbionti (batteri endosimbionti intestinali)intestinali)

FotosintesiFotosintesi (cianobatteri) (cianobatteri)

GLI ARCHAEA SONO ANAEROBI OBBLIGATI E VIVONO IN HABITAT ESTREMI

Termofili estremiTermofili estremi: sono obbligati a temperature superiori a 55°C, a pH molto bassi (0.9, 2.0).

MetanogeniMetanogeni: producono metano per riduzione di CO2.

AlofiliAlofili: vivono in ambienti estremamente salati.

Le archaea sono, come i bacteria, unicellulari mancanti di nucleo e assieme ai bacteria sono state in passato classificate come prokaryota o monere. Originariamente sono state classificate esaminando gli ambienti più estremi di vita, ma succesivamente sono state trovate in tutti gli habitat.

Caratteristiche delle ArchaeaCaratteristiche delle Archaea

Pur mantenendo le caratteristiche Pur mantenendo le caratteristiche dei procarioti dei procarioti (assenza di un (assenza di un nucleo distinto e di organuli nucleo distinto e di organuli citoplasmatici rivestiti da citoplasmatici rivestiti da membrane, presenza di un unico membrane, presenza di un unico filamento di DNA, strutture di filamento di DNA, strutture di rivestimento più complesse rivestimento più complesse rispetto alla cellula eucariote),rispetto alla cellula eucariote), date le condizioni estreme in cui date le condizioni estreme in cui possono svilupparsi, possono svilupparsi,

gli Archeobatteri gli Archeobatteri presentano una presentano una composizione biochimica unica composizione biochimica unica delle loro strutture di delle loro strutture di rivestimentorivestimento, che conferisce loro , che conferisce loro una una notevole impermeabilitànotevole impermeabilità e e che li differenzia sia dai batteri che li differenzia sia dai batteri che dagli eucarioti.che dagli eucarioti.

Methanopyrus

Analisi filogeneticaAnalisi filogenetica

Nel Nel 1977, , Carl Woese e e George Fox dell'università dell'università dell'Illinois ha condotto dell'Illinois ha condotto un'analisi filogenetica un'analisi filogenetica comparativa, basata comparativa, basata sulle sequenze del sulle sequenze del DNA e dell'e dell'RNA della piccola della piccola subunità ribosomiale subunità ribosomiale (subunità 16S), che ha (subunità 16S), che ha permesso la distinzione permesso la distinzione dei procarioti in due dei procarioti in due diversi regni: diversi regni: Eubacteria e Eubacteria e Archeabacteria, Archeabacteria, modificati poi nel modificati poi nel 1990 in in Bacteria e e Archea. .