MICRORGANISMI EUCARIOTI

FUNGHI PROTISTI

ALGHE MICROSCOPICHE

PROTOZOI

MUFFE LIEVITI

monocellulari

MITOCONDRI

CITOPLASMA

RETICOLO ENDOPLASMICO

RIBOSOMI

APPARATO DI GOLGI

CARATTERISTICHE

NUCLEO

DELIMITATO DA MEMBRANA

NUCLEOLO

CROMOSOMI LINEARI RICOMBINAZIONE

SESSUALE

CITOSCHELETRO

Relativa protezione della cellula anche in assenza di parete

Actina Tubulina

Filamenti intermedi

traffico di proteine

Distribuzione di organuli e cromosomi

Gli elementi del citoscheletro eucariotico intervengono

Possono essere alterati da alcuni patogeni

La radiazione degli eucarioti sembra convergere verso un punto centrale,

coincidente con la comparsa dei mitocondri

Acquisizione di mitocondri e cloroplasti: endosimbiosi indipendenti

mitocondri e cloroplasti conservano molte caratteristiche microbiche

Divisione per scissione binaria

FtsZ (cloroplasti, alcuni mitocondri)

In qualche caso sono presenti le proteine Min

Sintesi proteica: F-Met

Ribosomi simili a quelli procariotici

Cromosomi circolari senza istoni (mitocondri)

Sensibilità agli antibiotici che inibiscono la sintesi proteica

ASSENZA DI MITOCONDRI

GIARDIA: TRICHOMONAS

PRESENZA DI GENI BATTERICI

PROBABILE ACQUISIZIONE DI ENDOSIMBIONTI PRE-MITOCONDRIALI

Ipotesi: PERDITA

idrogenosomi legati alla membrana

Gli idrogenosomi non hanno DNA ma i geni nucleari che codificano le loro reazioni

hanno omologhi batterici

IPOTESI: passaggio di tutti i geni al nucleo dell’ospite

CONVERTONO PIRUVATO ACETATO, CO2 H2

Nyctotherus ovalis (intestino delle termiti)

organelli simili agli idrogenosomi ma con DNA (forse anche ribosomi)

NON FOTOSINTETICI

ETEROTROFI NUTRIZIONE: ASSIMILAZIONE

ASESSUATA

GEMMAZIONE

IMMOBILI

RIPRODUZIONE

RIPRODUZIONE SESSUATA

MEIOSI + FUSIONE DI CELLULE DI TIPO SESSUALE OPPOSTO MITOSI

DAL PUNTO DI VISTA EVOLUTIVO, I FUNGHI SONO

più simili alle cellule animali che a quelle vegetali

Mannoproteine

Chitina (poli-NAG)

β – (1,3)-glucano

β – (1,6)-glucano

La parete cellulare è formata da glucani (>50%) mannoproteine (~ 40%) e CHITINA (2%)

Rappresenta il 30% del peso secco Può essere digerita da β-glucanasi di varia origine

LIEVITI: in genere monocellulari

Alcuni possono formare pseudomiceli

Le cellule di lievito possono trovarsi in diversi stati

Aploidi (1n)

Le cellule diploidi hanno dimensioni maggiori (1-2 volte)

Diploidi (2n)

LIEVITI S. cerevisiae

Ascomicete lievitiforme, fermentante di forma ovalare

Le sue varietà si usano per vinificazione, brassaggio e panificazione (GRAS)

può essere manipolato con molta facilità

Ha notevoli capacità di fermentazione e di tolleranza a pH ed etanolo

Con l’eccezione di Schizosaccharomyces pombe, i lieviti si replicano per gemmazione

Un processo in cui la divisione del citoplasma è ineguale

Le cellule (blastocellule), vengono chiamate Blastospore se la modalità di riproduzione è Asessuata e Blastoconidi se la riproduzione è asessuata

Processi di gemmazione imperfetti possono causare la formazione di pseudoife (strutture formate da blastocellule non separate)

La gemma lascia una cicatrice da cui non si formano più gemme

Una cellula madre può andare incontro a un numero limitato di gemmazioni

La gemmazione può essere svolta sia dalle cellule aploidi sia dalle cellule diploidi

Le cellule aploidi possono essere di tipo sessuale (mating type) diverso: a o alpha (α)

Riproduzione sessuata

a

i geni alpha-specifici sono inattivi, i geni a-specifici

non sono repressi

alfa alpha1 stimola i geni alpha-specifici, alpha2 reprime i geni a-specifici

Due cellule aploidi possono unirsi per formare uno zigote diploide

Il processo è innescato dai “mating factors” peptidi che inducono modificazioni

morfologiche nel tipo sessuale opposto

a alfa

ogni feromone interagisce con un recettore del tipo opposto

l’interazione provoca la formazione degli “shmoo”

estroflessioni verso la cellula di segno opposto

Riproduzione sessuata

Il termine shmoo deriva da un fumetto

zigote diploide a+ alpha

spore, aploidi

Meiosi (condizioni di

stress)

Mitosi

Formando eterocarionti transitori

LIEVITO GEMMANTE: CICLO CELLULARE

APLOIDI

Cellule di tipo opposto

aderiscono

La replicazione si arresta

I citoplasmi si fondono

I nuclei si fondono formando lo zigote

Lo zigote riprende la crescita vegetativa

gemmando dalla giunzione

in condizioni di carenza di nutrienti

Una meiosi origina 4 spore aploidi (ascospore)

Che potranno germinare

Schizosaccharomyces pombe, un importante organismo modello per la biologia cellulare e molecolare, si divide per fissione binaria

Aploide-Mitosi

Carenza di nutrienti Coniugazione

Zigote

Meiosi

Asco zigotico

Sporulazione

Ascospore quiescenti

Carenza di nutrienti

Fase stazionaria

DiploideMitosi

Asco azigotico

Ha solo 3 cromosomi e la sua divergenza dai lieviti gemmanti è stimata intorno ai 330-420

milioni di anni fa

I Protozoi

• dimensioni ridotte (1-150 micron) • Elevato tasso di riproduzione • Trofozoite (ectoplasma-endoplasma) ↔ cisti • più nuclei o micro/macro –nucleo • vacuoli (contrattili-fagocitari-secretori) • Produzione di cisti • Forme morfologicamente diverse nelle diverse fasi del ciclo vitale

difficili da studiare

PROTOZOI

UNICELLULARI

NON FOTOSINTETICI

MOBILI

ASSIMILAZIONE FAGOCITOSI INGESTIONE

FLAGELLATI AMEBE CILIATI APICOMPLEXA

NUTRIZIONE

ASESSUATA

GEMMAZIONE

RIPRODUZIONE

SESSUATA

CONIUGAZIONE

FISSIONE BINARIA

SCISSIONE MULTIPLA

SINGAMIA

CILIATI (es. Paramecium)

Strutture molto complesse

Assimilabili a:

Molto grandi

apparato escretore

apparato digerente rudimentale

Micronucleo: informazione genetica, SI DIVIDE PER MITOSI Macronucleo: copie multiple di geni

correlati con la replicazione, SI DIVIDE PER SCISSIONE

I PARAMECI VANNO INCONTRO A SENESCENZA COME LE CELLULE ANIMALI

possono fare circa 10 divisioni asessuate prima di morire

Esistono diverse varietà di Paramecium e due tipi di ciascuna

Se due tipi diversi di una stessa varietà si incontrano possono svolgere un ciclo di

riproduzione sessuata

Aderiscono formando un ponte protoplasmatico

Si scambiano i micronuclei

I PARAMECI VANNO INCONTRO A SENESCENZA COME LE CELLULE ANIMALI

possono fare circa 10 divisioni asessuate prima di morire

Esistono diverse varietà di Paramecium e due tipi di ciascuna

Se due tipi diversi di una stessa varietà si incontrano possono svolgere un ciclo di

riproduzione sessuata

Aderiscono formando un ponte protoplasmatico

Si scambiano i micronuclei

SUBITO DOPO LO SCAMBIO I CONIUGANTI SI SEPARANO

ENTRAMBI VANNO CONSIDERATI CELLULE FIGLIE

L’EVENTO DI RIPRODUZIONE SESSUATA AZZERA L’OROLOGIO BIOLOGICO

ALGHE

NUTRIZIONE: ASSIMILAZIONE ENERGIA: FOTOSINTESI Filogeneticamente: diversi gruppi

Ambiente favorevole: mitosi Stato aploide

Ambiente sfavorevole:

differenziamento

gameti

fusione

Cellula diploide

ES. Chlamydomonas

AMEBE SOCIALI (MUFFE MUCILLAGINOSE)

PLASMODIALI CELLULARI

ES. Physarum policephalum

Plasmodio vero, multinucleato, forma una rete sul substrato, si muove per

oscillazioni del citoplasma

In condizioni di stress può formare corpi fruttiferi e sclerozi

es. Dycthostelium discoideum

amebe singole

Pseudoplasmodio

In condizioni di stress forma un corpo fruttifero con spore

Le forme ameboidi di Dycthostelium si nutrono di batteri

Quando I nutrienti scarseggiano, le amebe cessano di dividersi e iniziano ad aggregarsi

(chemotassi verso ATP diffuso dalla cellula centrale) aggregati (fino a 100.000 cells) in “lumache mobili

Le lumache si trasformano poi in corpi fruttiferi che portano circa 80.000 spore vitali sostenute da 20.000 cellule morte (che hanno formato lo stelo)

I microrganismi eucariotici possono

Causare malattie Avere effetti positivi

Produzione primaria (alghe) o degradazione (funghi e protozoi)

di materia organica

Frequente la degradazione di cellulosa e lignina

Produzione di alimenti (lieviti e muffe)

Produzione di farmaci (muffe)

Uomo-animali Protozoi, funghi Trasmissione: Insetti vettori

Acqua o

alimenti contaminati sessuale

piante funghi

Trasmissione:

Ambiente esterno

(sessuale)

Plasmodium ha un ciclo complesso che alterna una fase schizogonica (asessuata) a una fase sporogonica (sessuata). I gametociti si formano nell’ospite umano ma la maturazione

e la fusione avvengono nell’apparato digerente della zanzara. Le forme infettanti (sporozoiti) che derivano dalla oocisti, migrano nelle ghiandole salivari e sono trasmesse

con la puntura

schizonti

sporozoiti

merozoiti

anelli

trofozoiti schizonti

gametociti gameti zigote

oocinete oocisti

Ghiandole salivarie

Fase sporogonica (sessuata) Fase schizogonica

(asessuata)

La più nota malattia protozoaria trasmessa da insetti vettori (zanzara anophele) è la malaria, causata da Plasmodium falciparum

Altre malattie protozoarie trasmesse da insetti sono:

Malattia del sonno Agente Trypanosoma brucei Vettore Mosca tse-tse Africa

Lehismaniosi (cutanea; viscerale) Agente Leihismania Vettore Pappataci Ubiquitaria Attacca anche animali domestici La forma viscerale è grave

Morbo di Chagas Agente Trypanosoma cruzei Vettore Cimici triatomine America del sud Attacca anche animali domestici

Malattie protozoarie trasmesse con acqua/alimenti contaminati:

es. Giardia lamblia FLAGELLATI

nuclei

flagelli Disco di adesione

Corpo mediano

(microtubuli)

Giardia produce cisti bi- o tetra-nucleate per garantirsi il passaggio da un ospite all’altro

MANI/ACQUA/CIBO CONTAMINATI

Cisti e trofozoiti passano nell’ambiente I trofozoiti muoiono

Entamoeba hystolitica provoca la dissenteria

La riproduzione è asessuata; possono formare cisti di resistenza

Le amebe si muovono e si nutrono grazie agli pseudopodi

Le cisti e i trofozoiti rilasciati contaminano l’acqua e infettano nuovi ospiti

Anche Criptosporidium provoca diarrea associata con acqua contaminata: le sue cisti sono particolarmente resistenti e possono resistere a trattamenti di

disinfezione poco accurati

Malattie protozoarie trasmesse con altri alimenti contaminati:

Toxoplasma gondii trasmesso con la carne cruda o poco cotta o con feci di gatto

Trasmissione sessuale: Trichomonas vaginalis

parassita umano: l’infezione nel maschio può essere inapparente

Può causare gravi danni neurologici al bambino, se infetta la madre nel primo trimestre di gravidanza

Se l’infezione è inapparente e non curata, può persistere e riemergere in seguito se il sistema immunitario viene soppresso per qualche motivo

Malattie fungine umane:

Le infezioni fungine sistemiche, nelle persone sane, sono molto rare: (IMMUNOCOMPROMESSI)

Cutanee superficiali: (tigna, piede d’atleta…)

FUNGHI FITOPATOGENI, molto comuni : (le spore resistono a lungo nel suolo)

Oidio (Mal bianco, vite, olivi, rose, alberi da frutto….…) “ruggini” (grano, patate…

Candidosi orale-neonati (mughetto) Vaginale (autoinoculazione dall’intestino, amplificata con rapporti sessuali) onicomicosi

«ARCHIBATTERI»

Scoperti nel corso delle ricerche sulla filogenesi di Carl Woese

Eucarioti Eubatteri

Metanogeni ??

I metanogeni sembravano formare

un gruppo a sé

i dati resi disponibili dall’accumularsi di nuove sequenze di geni e proteine, e dal sequenziamento di interi genomi, hanno indotto a riconsiderare l’ ipotesi dei tre

domini, che non tiene conto di dati strutturali

Gupta e collaboratori hanno analizzato i dati con un metodo diverso

per verificare se l’ipotesi di correlazioni diverse possa essere più attendibile e in accordo con i dati a disposizione.

che usa orologi molecolari differenti per diverse tappe evolutive

Un esempio di “indel”

Molti archibatteri vivono in ambienti «estremi»

Ma le tecniche molecolari ne hanno dimostrata l’esistenza anche in ambienti condivisi con gli eubatteri

Gli archea condividono alcune caratteristiche con i batteri, altre con gli eucarioti

La morfologia è simile a quella degli eubatteri ma le forme irregolari abbondano

Questa variabilità è legata anche alla struttura

BERSAGLIO ANTIBIOTICO SPECIE PRODUTTRICE

sintesi proteica (30S)

Streptomicina Neomicina Tetracicline Spectinomicina Gentamicina Tobramicina Kanamicina

Streptomiceti (Monodermi con alto G+C)

sintesi proteica (50S)

Eritromicina Cloramfenicolo Lincomicina Streptogramine

Streptomiceti

Parete batterica Bacitracina Vancomicina Cicloserina

Bacillus (monodermi, basso G+C) Streptomiceti

membrana citoplasmica Polimixine Gramicidina S Tirotricina

Bacillus

sintesi o metabolismo degli acidi nucleici

Rifampicine Novobiocine Streptomiceti

I tratti simili agli eucarioti sono strutture o processi che rappresentano i bersagli di antibiotici prodotti da batteri monodermi

Una delle ipotesi sull’origine degli archibatteri considera gli antibiotici come una possibile pressione selettiva

Il citoplasma è simile a quello dei batteri, con le stesse componenti

Sono spesso presenti però istoni, diversi da quelli degli eucarioti, che organizzano il cromosoma circolare in un nucleosoma

CITOSCHELETRO

In Thermoplasma la proteina TAt0583 è più simile all’actina eucariotica che agli omologhi batterici dell’actina

Nei metanogeni, invece, le proteine del citoscheletro sono simili a MreB

Membrana plasmatica

R

C

C

R

C O H2

C

C O

O H2

H

O

O-

P O

O

O-

P

H2C CH3

C C H

CH2

R: Isoprenoidi (Idrocarburi a 5 carboni e catena ramificata)

I legami con il glicerolo sono legami ETERE

due gruppi (di-eteri)

possono unirsi a formare tetra-eteri

G1P invece di G3P

La lunghezza dei tetraeteri può essere variata tramite la formazione di anelli pentaciclici

Nelle membrane possono coesistere di- e tetra- eteri

Monostrato, rigido Doppio strato, flessibile

Dalle membrane archeali possono essere ottenuti archeosomi

Si ottengono facendo combinare in acqua i fosfolipidi

di membrana

sembrano vantaggiosi rispetto a liposomi di altra origine, per es. come veicoli per i vaccini

Gli Archibatteri hanno diversi tipi di parete cellulare

Ma la presenza di una sola membrana ne fa dei “Monodermi” come i batteri Gram-positivi

Pseudopeptidoglicano

Strato spesso di Polisaccaridi/polisaccaridi solfati

glicoproteine

proteine (strato S)

la mancanza di peptidoglicano comporta una mancata tintorialità con la tecnica di Gram (Gram-negativi)

pseudopeptidoglicano (pseudomureina)

NAT

Glu

LYS N-acetilglucosamina

ac. N-acetiltalosaminuronico

NAT

Legame β (1-3) glucosidico

Glu

LYS

Glu Diversa composizione chimica

Stesse struttura e funzione del peptidoglicano

il lisozima- che agisce sui legami β-1,4 -è inefficace sulla pseudomureina

Gli aminoacidi che formano i legami crociati sono “L”

Solo pseudomureina Pseudomureina e strato S superficiale

Metanocondroitina + strato S basale

Solo strato S

Strato S e involucro esterno

PRINCIPALI TIPI DI PARETI NEGLI ARCHEOBATTERI

I flagelli archeali sono diversi da quelli dei batteri e degli eucarioti

Sono più sottili di quelli eubatterici e solidi

L’accrescimento è sul versante interno della membrana, simile a

quello dei pili batterici

Spesso formati da tipi diversi di flagellina

Disposizione dei flagelli e meccanismi di nuoto e chemiotassi

sono invece gli stessi

ARCHAEA

Euryarchaeota Crenarchaeota Korarchaeota Solo evidenze

molecolari

Nanoarchaeota Nanoarchaeum

equitans, associato a Ignicoccus hospitalis

Metanogeni

Alofili

Termofili e ipertermofili

Mesofili (Thaumarchaeota)

Molte domande che aspettano ancora una risposta

Cosa sono le cannule di Pyrodictium?

Come funzionano le membrane di Ignicoccus?

Quali sono i rapporti tra Ignicoccus e Nanoarchaeum?