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?