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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
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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 …
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