Archaea. Eukarya. Bacteria. Il raggruppamento in. Eukarya, Archaea, Bacteria ALCUNE CLASSIFICAZIONI "GLOBALI" DEGLI ORGANISMI VIVENTI

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1 Il raggruppamento in Eukarya, Archaea, Bacteria HA LA PRETESA DI RAPPRESENTARE UNA CLASSIFICAZIONE NATURALE E DI INDICARE LE RELAZIONI FILOGENETICHE Procarioti ed Eucarioti condividono le proprietà fondamentali Strutturali Biochimiche - Funzionali degli organismi viventi A livello di processi biologici: Replicazione Riproduzione Metabolismo DEI TRE GRUPPI Procarioti ed Eucarioti condividono le proprietà fondamentali Strutturali Biochimiche - Funzionali degli organismi viventi A livello di meccanismi: Flusso dell informazione genetica: DNA RNA Proteine Lingua : Codice genetico ALCUNE CLASSIFICAZIONI "GLOBALI" DEGLI ORGANISMI VIVENTI Eukarya EUCARIOTI Eukarya PLURICELLULARI E UNICELLULARI (Protista, microrganismi eucarioti) Archaea PROCARIOTI "Bacteria", Batteri UNICELLULARI Bacteria (Monera, microrganismi procarioti) (E ANCHE PLURICELLULARI)

2 0 tempo(miliardi di anni) 3.5 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. E possibile ricostruire una filogenesi. 0 tempo(miliardi di anni) 3.5 LUCA Last 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. E possibile ricostruire una filogenesi. 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 linea guida della classificazione tassonomica molecolare Le regioni del 16S presentano alternanza di sequenze altamente conservate e sequenze variabili, conservate però all interno di organismi vicini da un punto di vista tassonomico

3 ORGANISMI VIVENTI EUCARIOTI PROCARIOTI Albero filogenetico universale PLURICELLULARI EUKARYA UNICELLULARI ARCHAEA BACTERIA UNICELLULARI 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.) CELLULA EUCARIOTE e PROCARIOTE

4 CELLULE EU- CARIOTE CELLULE PRO- CARIOTE Le DIFFERENZE riguardano : Nucleo (membrana nucleare, cromosomi ) Altri organelli delimitati da membrana: Mitocondrio, Cloroplasto, Apparato di Golgi, Reticolo endoplasmatico... Meccanismi di divisione cellulare Parete cellulare Membrana cellulare Apparato per la replicazione del DNA Apparato per la trascrizione Apparato per la traduzione (ribosomi ). Bacteria (versus Archaea) 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) La cellula procariote (Bacteria e Archaea) Morfologia generale Composizione chimica: -elementare - molecolare - macromolecolare QUESTA LEZIONE Strutture supramolecolari: - involucro esterno (membrana, parete, capsula,...) - citoplasma, nucleoide, ribosomi,... Problemi generali nella costruzione di una cellula: -materia -energia - informazione CELLULA PROCARIOTE

5 I BATTERI SONO PICCOLI Dimensione di riferimento: 1-5 µm Dimensioni dei batteri ma ce n è di più piccoli (meno di 0.2 µm) o di più grandi (quasi 1 mm) Thiomargarita namibiensis Epulopiscium fishelsoni I BATTERI POSSONO AVERE FORME DIVERSE COCCHI BASTONCELLI SPIRILLI SPIROCHETE E TROVARSI ISOLATI, O IN AGGREGATI CARATTERISTICI DI POCHE CELLULE diplococco streptococco sarcina stafilococco PROSTECATI FILAMENTI IFE ifa

6 O IN AGGREGATI MULTICELLULARI Composizione chimica dei procarioti colonie miceli biofilm del tutto simile a quella degli eucarioti con alcune differenze rilevanti che riguardano molecole che compongono - la parete dei Bacteria - la membrana degli Archaea ANALISI ELEMENTARE Elemento % peso Funzione Origine secco Carbonio 50 Costituente principale del materiale cellulare ; CO2 Ossigeno 20 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Accettore di elettroni nella respirazione aerobica ; H2O; CO2; O2 Azoto 14 Costituente degli aminoacidi, basi azotate, lipidi complessi, coenzimi, etc. NH3; NO3 - ; N2 Idrogeno 8 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare H2O; H2... Fosforo 3 Costituente degli acidi nucleici, nucleotidi, Partecipa in molte reazioni metaboliche Zolfo 1 Costituente di metionina e cisteina (aminoacidi), glutatione, molti coenzimi PO4 3- SO4 2- ; H2S; S0 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 Sali di Ferro di altre ferro-proteine Mn, Co, Zn, Tracce Cofattori o costituenti di enzimi e coenzimi Sali relativi Cu, Mo, Se ANALISI ELEMENTARE Elemento % peso Funzione Origine secco Carbonio 50 Costituente principale del materiale cellulare ; CO2 Ossigeno 20 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare Accettore di elettroni nella respirazione aerobica ; H2O; CO2; O2 Azoto 14 Costituente degli aminoacidi, basi azotate, lipidi complessi, coenzimi, etc. NH3; NO3 - ; N2 Idrogeno 8 Costituente dei composti organici e dell'acqua cellulare H2O; H2... Fosforo 3 Costituente degli acidi nucleici, nucleotidi, Partecipa in molte reazioni metaboliche Zolfo 1 Costituente di metionina e cisteina (aminoacidi), glutatione, molti coenzimi PO4 3- SO4 2- ; H2S; S0 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 Sali di Ferro di altre ferro-proteine Mn, Co, Zn, Tracce Cofattori o costituenti di enzimi e coenzimi Sali relativi Cu, Mo, Se

7 ANALISI MOLECOLARE MOLECOLA % Molecole/ Tipi diversi cellula (principali) Macromolecole 96 25,000,000 3,000 Proteine 55 2,500,000 2,000 Polisaccaridi 7 5,000 2 Lipidi 11 22,000,000 4 DNA 3 2 1(+) Queste macromolecole sono organizzate nelle Neidhardt complesse PBC strutture che costituiscono la cellula RNA Monomeri, precursori, altre Ioni inorganici ,000 1, I numeri sono indicativi e approssimativi L'ESISTENZA DI QUESTI SISTEMI COMPLESSI dipende dalla loro capacità di: - MANTENERSI - CRESCERE - MOLTIPLICARSI -EVOLVERE PO 4 3- GLUCOSIO COME SI COSTRUISCE UNA CELLULA BATTERICA (esempio: E. coli) METABOLITI PRECURSORI (~12) ENERGIA METABOLICA POTERE RIDUCENTE SO 4 2- NH 4 + ACIDI GRASSI (~8) ZUCCHERI (~25) AMINOACIDI (~20) NUCLEOTIDI (~8) LIPIDI LIPOPOLI- SACCARIDI GLICOGENO MUREINA PROTEINE RNA DNA INCLUSIONI INVOLUCRO FLAGELLI PILI CITOSOL RIBOSOMI NUCLEOIDE RIFORNIMENTO DI MATERIE PRIME E DI ENERGIA MATTONI DA COSTRUZIONE MACRO- MOLECOLE STRUTTURE CELLULARI

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'ENERGIA NECESSARIA 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 (CO 2 ) 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 MATERIA II: AZOTO MATERIA: III - TUTTO IL RESTO le cellule viventi possono ricavare l'azoto di cui necessitano: - da sostanze organiche (es: aminoacidi) - da N inorganico combinato (NH 4+ ; NO 3- ; ): assimilazione - da N elementare (N 2 ): fissazione P: da PO 4 3-, composti organici S: da SO 2-4, H 2 S, S 0, composti organici

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