CARATTERISTICHE CITOPLASMA RIBOSOMI MITOCONDRI RETICOLO ENDOPLASMICO APPARATO DI GOLGI NUCLEO DELIMITATO DA MEMBRANA NUCLEOLO RICOMBINAZIONE SESSUALE

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1 MICRORGANISMI EUCARIOTI FUNGHI PROTISTI MUFFE LIEVITI monocellulari PROTOZOI ALGHE MICROSCOPICHE

2 CARATTERISTICHE CITOPLASMA RIBOSOMI MITOCONDRI RETICOLO ENDOPLASMICO APPARATO DI GOLGI NUCLEO DELIMITATO DA MEMBRANA NUCLEOLO CROMOSOMI LINEARI RICOMBINAZIONE SESSUALE

3 CITOSCHELETRO Actina Tubulina Filamenti intermedi Gli elementi del citoscheletro eucariotico intervengono Relativa protezione della cellula anche in assenza di parete traffico di proteine Distribuzione di organuli e cromosomi Possono essere alterati da alcuni patogeni

4 Acquisizione di mitocondri e cloroplasti: endosimbiosi indipendenti La radiazione degli eucarioti sembra convergere verso un punto centrale, coincidente con la comparsa dei mitocondri

5 mitocondri e cloroplasti conservano molte caratteristiche microbiche Divisione per scissione binaria Sintesi proteica: F-Met Ribosomi simili a quelli procariotici FtsZ (cloroplasti, alcuni mitocondri) In qualche caso sono presenti le proteine Min Sensibilità agli antibiotici che inibiscono la sintesi proteica Cromosomi circolari senza istoni (mitocondri)

6 GIARDIA: ASSENZA DI MITOCONDRI idrogenosomi legati alla membrana CONVERTONO PIRUVATO ACETATO, CO 2 H 2 TRICHOMONAS PRESENZA DI GENI BATTERICI PROBABILE ACQUISIZIONE DI ENDOSIMBIONTI PRE-MITOCONDRIALI 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 Ipotesi: PERDITA Nyctotherus ovalis (intestino delle termiti) organelli simili agli idrogenosomi ma con DNA (forse anche ribosomi)

7 DAL PUNTO DI VISTA EVOLUTIVO, I FUNGHI SONO più simili alle cellule animali che a quelle vegetali NON FOTOSINTETICI ETEROTROFI IMMOBILI NUTRIZIONE: ASSIMILAZIONE RIPRODUZIONE MITOSI ASESSUATA GEMMAZIONE RIPRODUZIONE SESSUATA MEIOSI + FUSIONE DI CELLULE DI TIPO SESSUALE OPPOSTO

8 La parete cellulare è formata da glucani (>50%) mannoproteine (~ 40%) e CHITINA (2%) Mannoproteine β (1,6)-glucano β (1,3)-glucano Chitina (poli-nag) Rappresenta il 30% del peso secco Può essere digerita da β-glucanasi di varia origine

9 LIEVITI: in genere monocellulari Alcuni possono formare pseudomiceli Le cellule di lievito possono trovarsi in diversi stati Diploidi (2n) Aploidi (1n) Le cellule diploidi hanno dimensioni maggiori (1-2 volte)

10 LIEVITI S. cerevisiae Ascomicete lievitiforme, fermentante di forma ovalare può essere manipolato con molta facilità Ha notevoli capacità di fermentazione e di tolleranza a ph ed etanolo Le sue varietà si usano per vinificazione, brassaggio e panificazione (GRAS)

11 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)

12 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

13 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

14 ogni feromone interagisce con un recettore del tipo opposto Riproduzione sessuata l interazione provoca la formazione degli shmoo Il termine shmoo deriva da un fumetto estroflessioni verso la cellula di segno opposto zigote diploide a+ alpha Mitosi Meiosi (condizioni di stress) spore, aploidi

15 APLOIDI Cellule di tipo opposto aderiscono LIEVITO GEMMANTE: CICLO CELLULARE Che potranno germinare in condizioni di carenza di nutrienti gemmando dalla giunzione Lo zigote riprende la crescita vegetativa La replicazione si arresta Una meiosi origina 4 spore aploidi (ascospore) I nuclei si fondono formando lo zigote I citoplasmi si fondono Formando eterocarionti transitori

16 Schizosaccharomyces pombe, un importante organismo modello per la biologia cellulare e molecolare, si divide per fissione binaria Fase stazionaria Ha solo 3 cromosomi e la sua divergenza dai lieviti gemmanti è stimata intorno ai milioni di anni fa Carenza di nutrienti Carenza di nutrienti Coniugazione Aploide-Mitosi Zigote Ascospore quiescenti Asco zigotico Meiosi Diploide Mitosi Sporulazione Asco azigotico

17 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

18 PROTOZOI UNICELLULARI NON FOTOSINTETICI MOBILI CILIATI AMEBE FLAGELLATI APICOMPLEXA NUTRIZIONE INGESTIONE FAGOCITOSI ASSIMILAZIONE

19 RIPRODUZIONE ASESSUATA SESSUATA FISSIONE BINARIA SCISSIONE MULTIPLA CONIUGAZIONE SINGAMIA GEMMAZIONE

20 CILIATI (es. Paramecium) Molto grandi Strutture molto complesse Assimilabili a: apparato digerente rudimentale apparato escretore Micronucleo: informazione genetica, SI DIVIDE PER MITOSI Macronucleo: copie multiple di geni correlati con la replicazione, SI DIVIDE PER SCISSIONE

21 I PARAMECI VANNO INCONTRO A SENESCENZA COME LE CELLULE ANIMALI Esistono diverse varietà di Paramecium e due tipi di ciascuna possono fare circa 10 divisioni asessuate prima di morire 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

22 I PARAMECI VANNO INCONTRO A SENESCENZA COME LE CELLULE ANIMALI Esistono diverse varietà di Paramecium e due tipi di ciascuna possono fare circa 10 divisioni asessuate prima di morire 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

23 SUBITO DOPO LO SCAMBIO I CONIUGANTI SI SEPARANO ENTRAMBI VANNO CONSIDERATI CELLULE FIGLIE L EVENTO DI RIPRODUZIONE SESSUATA AZZERA L OROLOGIO BIOLOGICO

24 ALGHE NUTRIZIONE: ASSIMILAZIONE ENERGIA: FOTOSINTESI Filogeneticamente: diversi gruppi Ambiente sfavorevole: differenziamento ES. Chlamydomonas gameti fusione Ambiente favorevole: mitosi Stato aploide Cellula diploide

25 AMEBE SOCIALI (MUFFE MUCILLAGINOSE) PLASMODIALI ES. Physarum policephalum Plasmodio vero, multinucleato, forma una rete sul substrato, si muove per oscillazioni del citoplasma CELLULARI es. Dycthostelium discoideum amebe singole Pseudoplasmodio In condizioni di stress può formare corpi fruttiferi e sclerozi In condizioni di stress forma un corpo fruttifero con spore

26 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 cells) in lumache mobili

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

28 I microrganismi eucariotici possono Causare malattie Avere effetti positivi Uomo-animali Protozoi, funghi Trasmissione: Insetti vettori Acqua o alimenti contaminati sessuale piante funghi Trasmissione: Ambiente esterno (sessuale) 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)

29 La più nota malattia protozoaria trasmessa da insetti vettori (zanzara anophele) è la malaria, causata da Plasmodium falciparum 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 sporozoiti schizonti Ghiandole salivarie anelli merozoiti oocisti gametociti oocinete zigote gameti schizonti trofozoiti Fase schizogonica (asessuata) Fase sporogonica (sessuata)

30 Altre malattie protozoarie trasmesse da insetti sono: Malattia del sonno Agente Trypanosoma brucei Vettore Mosca tse-tse Africa Morbo di Chagas Agente Trypanosoma cruzei Vettore Cimici triatomine America del sud Attacca anche animali domestici Lehismaniosi (cutanea; viscerale) Agente Leihismania Vettore Pappataci Ubiquitaria Attacca anche animali domestici La forma viscerale è grave

31 Malattie protozoarie trasmesse con acqua/alimenti contaminati: nuclei FLAGELLATI flagelli es. Giardia lamblia Disco di adesione Corpo mediano (microtubuli) MANI/ACQUA/CIBO CONTAMINATI Giardia produce cisti bi- o tetra-nucleate per garantirsi il passaggio da un ospite all altro Cisti e trofozoiti passano nell ambiente I trofozoiti muoiono

32 Entamoeba hystolitica provoca la dissenteria Le amebe si muovono e si nutrono grazie agli pseudopodi La riproduzione è asessuata; possono formare cisti di resistenza 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

33 Malattie protozoarie trasmesse con altri alimenti contaminati: Toxoplasma gondii trasmesso con la carne cruda o poco cotta o con feci di gatto 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 Trasmissione sessuale: Trichomonas vaginalis parassita umano: l infezione nel maschio può essere inapparente

34 Malattie fungine umane: Cutanee superficiali: (tigna, piede d atleta ) Candidosi orale-neonati (mughetto) Vaginale (autoinoculazione dall intestino, amplificata con rapporti sessuali) onicomicosi Le infezioni fungine sistemiche, nelle persone sane, sono molto rare: (IMMUNOCOMPROMESSI) FUNGHI FITOPATOGENI, molto comuni : (le spore resistono a lungo nel suolo) ruggini (grano, patate Oidio (Mal bianco, vite, olivi, rose, alberi da frutto. )

35 «ARCHIBATTERI» Scoperti nel corso delle ricerche sulla filogenesi di Carl Woese Eubatteri Eucarioti Metanogeni?? I metanogeni sembravano formare un gruppo a sé

36 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 che usa orologi molecolari differenti per diverse tappe evolutive per verificare se l ipotesi di correlazioni diverse possa essere più attendibile e in accordo con i dati a disposizione.

37 Un esempio di indel

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39 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

40 La morfologia è simile a quella degli eubatteri ma le forme irregolari abbondano Questa variabilità è legata anche alla struttura

41 I tratti simili agli eucarioti sono strutture o processi che rappresentano i bersagli di antibiotici prodotti da batteri monodermi BERSAGLIO ANTIBIOTICO SPECIE PRODUTTRICE sintesi proteica (30S) sintesi proteica (50S) Parete batterica membrana citoplasmica sintesi o metabolismo degli acidi nucleici Streptomicina Neomicina Tetracicline Spectinomicina Gentamicina Tobramicina Kanamicina Eritromicina Cloramfenicolo Lincomicina Streptogramine Bacitracina Vancomicina Cicloserina Polimixine Gramicidina S Tirotricina Rifampicine Novobiocine Streptomiceti (Monodermi con alto G+C) Streptomiceti Bacillus (monodermi, basso G+C) Streptomiceti Bacillus Streptomiceti Una delle ipotesi sull origine degli archibatteri considera gli antibiotici come una possibile pressione selettiva

42 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

43 Membrana plasmatica G1P invece di G3P R: Isoprenoidi (Idrocarburi a 5 carboni e catena ramificata) CH 3 H 2 C C C CH 2 H H 2 C O C R H C O C R O - H 2 C O P O O I legami con il glicerolo sono legami ETERE due gruppi (di-eteri) possono unirsi a formare tetra-eteri

44 La lunghezza dei tetraeteri può essere variata tramite la formazione di anelli pentaciclici Nelle membrane possono coesistere di- e tetra- eteri Doppio strato, flessibile Monostrato, rigido

45 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

46 Gli Archibatteri hanno diversi tipi di parete cellulare Pseudopeptidoglicano glicoproteine Strato spesso di Polisaccaridi/polisaccaridi solfati proteine (strato S) la mancanza di peptidoglicano comporta una mancata tintorialità con la tecnica di Gram (Gram-negativi) Ma la presenza di una sola membrana ne fa dei Monodermi come i batteri Gram-positivi

47 pseudopeptidoglicano (pseudomureina) ac. N-acetiltalosaminuronico Legame β (1-3) glucosidico NAT Glu N-acetilglucosamina Stesse struttura e funzione del peptidoglicano LYS Glu NAT LYS Glu Diversa composizione chimica Gli aminoacidi che formano i legami crociati sono L il lisozima- che agisce sui legami β-1,4 -è inefficace sulla pseudomureina

48 PRINCIPALI TIPI DI PARETI NEGLI ARCHEOBATTERI Solo strato S Strato S e involucro esterno Metanocondroitina + strato S basale Solo pseudomureina Pseudomureina e strato S superficiale

49 I flagelli archeali sono diversi da quelli dei batteri e degli eucarioti Sono più sottili di quelli eubatterici e solidi Spesso formati da tipi diversi di flagellina L accrescimento è sul versante interno della membrana, simile a quello dei pili batterici Disposizione dei flagelli e meccanismi di nuoto e chemiotassi sono invece gli stessi

50 ARCHAEA Euryarchaeota Crenarchaeota Korarchaeota Solo evidenze molecolari Metanogeni Termofili e ipertermofili Nanoarchaeota Nanoarchaeum equitans, associato a Ignicoccus hospitalis Alofili Mesofili (Thaumarchaeota)

51 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?