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Organismi viventi ed entità biologiche L’origine della Vita Universo: ~ 13 Miliardi anni Terra: ~4,4 Miliardi anni Vita: ~3,9 - 2,7 Miliardi anni Radioisotopi per datazioni 14C: 5730 anni 235U: 723 mln 40K: 1300 mln 238U: 4510 mln L’origine della Vita Gli isotopi confermano che 2,7 M...

Organismi viventi ed entità biologiche L’origine della Vita Universo: ~ 13 Miliardi anni Terra: ~4,4 Miliardi anni Vita: ~3,9 - 2,7 Miliardi anni Radioisotopi per datazioni 14C: 5730 anni 235U: 723 mln 40K: 1300 mln 238U: 4510 mln L’origine della Vita Gli isotopi confermano che 2,7 Mld di anni fa la Vita era già presente. Le stromatoliti di cianobatteri («pietre a tappeto») permettono di datare le prime forme di vita fino a 3,7 Mld di anni fa. Lago Thetis, Australia occidentale. Shark Bay, Australia occidentale. La teoria evoluzionistica e l’origine inorganica della Vita C. Darwin e A. Wallace, 1858: l’analisi delle forme di vita suggerisce la discendenza da una entità comune, con biologia estremamente semplice. IPOTESI: erano presenti le condizioni favorevoli alla comparsa spontanea della vita sulla Terra. Era nato un C. Darwin (sinistra) e A. Wallace (destra). Ipotesi dell’origine della Vita: N* 1 – Dallo spazio profondo 1969: Rinvenuti frammenti del meteorite Allende in Messico Presenti alcuni composti a base carboniosa, di cui alcuni aminoacidi IPOTESI DELLA PANSPERMIA: I composti necessari alla vita, generati dai corpi celesti, sono stati sparsi nell’universo, per mezzo di meteoriti. Presenza di basi azotate nei campioni di meteoriti a base carboniosa L’analisi di campioni di meteoriti evidenzia come alcune basi azotate (guanina, ipoxantina, xantina, adenina, ecc.) siano presenti in tracce. M. Callahan et al., 2011. Ipotesi dell’origine della Vita: N* 2 – L’origine organica 1922: A. I. Oparin ipotizza un periodo di evoluzione chimica sulla Terra. 1) I composti inorganici, contenenti C, N, O e H, avrebbero avuto abbastanza tempo per riorganizzarsi un forme complesse. 2) Tali composti erano disciolti in acqua e nell’atmosfera. 3) Numerose fonti di energia (scariche dei fulmini, energia vulcanica, energia solare) erano disponibili. 4) Potenzialmente, queste condizioni hanno portato alla formazione dei primi sistemi di membrana all’interno di pozze, laghi e mari. Come verificare questa ipotesi? A. I. Oparin L’esperimento di Miller-Urey genera i composti della vita OCCORRENTE: 1) Sistema chiuso; 2) Composti (H2, N2, CO2, H2O, NH3, CH4); 3) Ambiente privo di O2; 4) Energia. PROTOCOLLO: Ciclicamente, fornire a una fase acquosa e una fase gassosa energia elettrica e termica, andando poi a raffreddare il mezzo. RISULTATI: Dapprima produzione e isolamento di amminoacidi e successivamente di altre molecole biologiche. La formazione delle membrane L’ipotesi del brodo primordiale è in contrapposizione con la natura idrofobica degli acidi grassi che compongono le membrane. TUTTAVIA 1) Argille e fanghi possono comportarsi da catalizzatori; 2) La pirite (roccia eruttiva) potrebbe essere stata una sostanza che ha agevolato l’aggregazione di sostanze idrofobe in ambiente anaerobio (come necessario alla formazione della pirite); 3) Progressiva condensazione di polimeri di acidi grassi e lipidi in presenza di altri composti necessari alla vita Ipotesi dell’origine della Vita: N* 3 – Origine idrotermale La pomice, pietra di origine vulcanica, dotata di pori, potrebbe aver avuto un ruolo decisivo nella formazione di ambienti isolati da acidi grassi, privi di ossigeno, all’interno delle quali potrebbero essere concentrati polimeri di altra natura (acidi nucleici, proteine, zuccheri) A sostegno di tale ipotesi, si riportano numerosi organismi che usano solfuri di Ferro II in corrispondenza delle sorgenti idrotermali. Caratteristiche della protocellula METABOLISMO: - Forse eterotrofi, prelevando materiale dall’esterno; - Forse autotrofi, sfruttando il calore delle sorgenti idrotermali per fissare la CO2 RIPRODUZIONE: - Probabilmente un meccanismo simile alla gemmazione INFORMAZIONE GENETICA: - Prima le proteine o il DNA? Un mondo primordiale di RNA Prototipo di trasferimento dell’informazione genetica basato su RNA A sostegno di ciò, l’esistenza dei Ribozimi, una serie di RNA: 1) Utilizzati come stampo; 2) Ripieganti in maniera autonoma; 3) Funzione catalitica (enzima). Tale attività catalitica potrebbe essere stata in seguito conservata e trasferita agli RNA con attività di sintesi proteica (rRNA). Soltanto dopo sarebbe comparso il DNA. I processi endosimbiontici  Classificazione gerarchica dei viventi Sistematica: disciplina che ordina i viventi Tassonomia: disciplina che nomina i viventi sulla base dei gruppi di appartenenza (taxa). In base al nucleo In base alle strutture cellulari principali Piano corporeo simile Caratteri comuni (sistemi, organi, morfologia, abitudini alimentari, abitudini comportamentali, ecc.) Caratt. comuni, no riproduzione Possono riprodursi, prole fertile Classificazione gerarchica dei viventi - esempio Eukaryota (nulceo delimitato) Animalia (cellula animale) Chordata (sostegno interno) Mammalia (allattamento) Carnivora (mangiano carne) Canidae (muso, dita, ecc.) Canis (coda, denti, comportamenti) Canis lupus Procarioti  Cellule procariote Unicellulari, dimensioni ridotte (0,5-5um) No nucleo definito, no organelli Genoma: dsDNA unico, circolare Parete cellulare di peptidoglicano Scissione binaria (20’ a poche ore) Geni non essenziali in plasmidi Possono scambiare materiale genetico Evolvono velocemente Estrema biodiversità  Cellule procariote Due domini: - Bacteria (batteri) Unicellulari, dimensioni ridotte (0,5-5um) - Archaea  vicono in No nucleo definito, no organelli ambienti estremi Genoma: DNA singolo, circolare Parete cellulare di peptidoglicano Scissione binaria (20’ a poche ore) Geni non essenziali in plasmidi Possono scambiare materiale genetico Evolvono velocemente Estrema biodiversità Classificazione dei batteri 1) FORMA/MORFOLOGIA Bacilli (bastoncelli) isolati, a coppie (diplobacilli) o a catena (streptobacilli) Spirilli Vibrioni Cocchi isolati, a coppie (diplococchi), a catena (streptococchi), a grappolo (stafilococchi), a gruppi di 8 cellule (sarcine) 2) TEMPERATURA DI CRESCITA Psicrofili  crescita ottimale tra i 15 e i 20°C, e anche a temperature più basse Mesofili  ambienti più miti, tra i 20 e i 40°C, sensibili a temperature oltre questo intervallo Termofili  ambiente ottimale superiore ai 40°C 3) METABOLISMO e FONTI DI ENERGIA Fonte di Energia? (= come ossido i nutrienti?) A) Chemiotrofi  da sostanze chimiche inorg. B) Fototrofi  dalla luce (fotosintesi) Fotoautotrofi (cianobatteri) Chemioautotrofi (Nitrosomonas spp.) Fotoeterotrofi (Rhodobacter spp.) Fonte di Carbonio? Chemioeterotrofi (E. coli, Clostridium spp.) A) Autotrofi  dalla CO2 B) Eterotrofi  C da molecole organiche Fanno respirazione (= usano O2 per rompere legami?) A) Sì, soltanto O2  aerobi obbligati (respirazione); B) No, altrimenti muoiono  anaerobi obbligati (fermentazione) C) Sì, ma possono farne a meno  anaerobi facoltativi; D) In piccole dosi  microaerofili Reazioni di Ossidoriduzione (RedOx) Ossidazione = perdita di elettroni Una specie molecolare cede degli elettroni ( = si ossida) Riduzione = acquisto di elettroni ad una molecola differente che li acquista ( = si riduce). Reazioni RedOx: reazione di scambio di elettroni tra due specie chimiche, una riducente (quella che ossida) e una ossidante (quella che si riduce). REDOX DEL GLUCOSIO C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O Il glucosio si ossida: perde elettroni e si trasforma in anidride carbonica: C6H12O6 → 6CO2+elettroni L’ossigeno si riduce: guadagna elettroni e si trasforma in acqua. O2 + elettroni →H2O 5) MORFOLOGIA ESTERNA (COLORAZIONE DI GRAM) Fisso su vetrino con calore Lega Fissa la Decolorazione Colorazione componenti acide componenti colorazione rimanenti nei Gram - ACIDE precedente 5) MORFOLOGIA ESTERNA (COLORAZIONE DI GRAM) 5) MORFOLOGIA ESTERNA (COLORAZIONE DI GRAM)  (diverso in ogni batterio ⇒ significato diagnostico (= per tutti I GRAM- ⇒ ENDOTOSSINA) GRAM + GRAM - Possiedono solo la membrana Possiedono un’ulteriore plasmatica e la parete struttura detta membrana cellulare esterna composta da LPS Strutture che «circondano» i batteri: Membrana cellulare  doppio strato fosfolipidico simile a quello delle cellule eucariotiche, ma più sottile Parete batterica  fornisce al batterio rigidità e robustezza. Funzione di difesa dalla fagocitosi. Costituta da peptidoglicani. Non è presente in tutti i batteri. Membrana esterna  costitutita da lipopolisaccaridi (LPS). Non è presente in tutti i batteri, solo nei Gram- Alcuni batteri hanno anche: Capsula esterna  protezione addizionale e adesione Ciglia  adesione Pili sessuali  per lo scambio di DNA tra coppie di batteri Flagelli  per il movimento nello spazio Organizzazione interna: Citoplasma Ripiegamenti della membrana per funzioni metaboliche Genoma  di solito un unico cromosoma circolare localizzato nella regione nucleoide e alcuni piccoli anelli di DNA detti plasmidi Riproduzione Per scissione binaria Riproduzione asessuata per scissione binaria Da qualche minuto a poche ore Limitata dalle condizioni ambientali Alcuni attivano sporulazione in condizioni sfavorevoli  incapsulamento del cromosoma e disidratazione  arresto metabolico in attesa di condizioni ambientali favorevoli La diversità genetica nei procarioti: Mutazioni spontanee Aumento popolazione  possibilità di inserire cambiamenti (mutazioni) Ricombinazione genetica  mescolamento di DNA provenienti da individui diversi Trasformazione  assunzione di un frammento di DNA dall’esterno Trasduzione  trasmissione di DNA fra batteri tramite fagi Coniugazione di fattore F tramite pilus sessuale Trasformazione Trasduzione Coniugazione  I batteri in natura I batteri nella vita di tutti i giorni 1. Riciclo delle sostanze inorganiche 1. Caseario per produzione di formaggi e (zolfo, azoto, ecc.) yogurt (Lactobacillus spp.) 2. Riciclo di sostanze organiche 2. Enologico per produrre vino (decompositori) (Oenococcus oeni, ecc.) 3. Produzione di O2 3. Depurazione acque reflue 4. Produzione biocombustibili (metanogeni) I batteri e l’organismo umano I batteri per il futuro 1. Commensali = vivono assieme all’uomo 1. Studio antibiotici (tratto digerente) 2. DNA ricombinante e ingegneria genetica 2. Patogeni = causano paotologia 3. Biorestauro (Staphylococcus aureus, C. difficile, C. 4. Produzione di batteriofagi tetani, C. botulinum, ecc.) 5. Decomposizione plastica 3. Opportunisti = sono commensali ma 6. Biologia sintetica possono diventare patogeni (E. coli) Eucarioti  Cellule eucariote Di organismi unicellulari (protisti, es. alcune alghe) e pluricellulari (funghi, piante, animali). Hanno nucleo delimitato dalla membrana nucleare (nucleolemma) Possiedono molti organelli deputati a funzioni molto diverse fra loro Cellula animale Cellula vegetale Nucleo  dove si trova il DNA e quindi tutte le informazioni genetiche Mitocondri  dove si produce l’energia necessaria alla cellula per sopravvivere Cloroplasti  dove la luce e la CO2 si combinano per produrre glucosio mediante la fotosintesi  nelle cellule vegetali e in alcune alghe Organuli membranosi  reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi  la fabbrica dei componenti cellulari Virus Virus Dal latino «veleno» Sono entità biologiche, ma non sono propriamente «viventi» Virus = parassiti molecolari  entrano in una cellula ospite, la dirottano e ne prendono il controllo per riprodursi, uscire e infettare nuove cellule Replicazione NON autonoma Ciclo vitale: adesione – infezione – controllo della cellula – replicazione – assemblamento – uscita Infezione acuta: causa la patologia in pochi giorni (influenza, CoV-2, ecc.) Infezione cronica: infezione permanente, patologia si protrae nel tempo (HIV-1/AIDS, HBV/Epatite B, Herpes Simplex Virus, ecc.) Usando il microscopio elettronico a trasmissione (TEM)… HIV-1 SARS-CoV-2 Influenza Batteriofago Lambra (batteri) Il primo virus fu scoperto studiando il mosaico del tabacco (TMV): - 1883  Meyer: la malattia si trasmette con la linfa da un «batterio piccolissimo» - 1893  Ivanowsky: il «batterio» è in grado di passare filtri che trattengono batteri comuni  batterio o tossina? - Beijerinck: l’agente patogeno non è una tossina, è in grado di riprodursi, ma non nei terreni e nelle piastre per batteri  VIRUS - 1935  Stanley: cristallizzazione del TMV - In epoca più recente è poi stato identificato anche al microscopio elettronico  Virione = particella virale all’esterno della cellula, NON VIVENTE! Genoma a DNA o RNA, a singolo o a doppio filamento, segmentato o parziale  principale classificazione dei virus VIRIONE Capside: involucro proteico che protegge il genoma organizzato in subunità identiche (capsomeri) Involucro (pericapside o «envelope»): doppio strato fosfolipidico che alcuni virus portano uscendo dalla cellula che hanno infettato. Glicoproteine (anti-recettori): la glicoproteina che sporge dall’envelope e che effettua adesione ed infezione  Tipi di genoma virale DNA dsDNA ssDNA RNA dsRNA ssRNA Usato come mRNA Usato come stampo per mRNA Usato come stampo per DNA  retrovirus  possiedono una propria trascrittasi inversa. Ciclo riproduttivo e vitale dei virus I virus si possono riprodurre soltanto all’interno di cellule ospiti Infettano gli ospiti per cui hanno un recettore adatto e in cui possono replicare efficientemente. Tropismo: il tessuto che un virus infetta, determinato da quale recettore lega. Spillover = salto di specie  il virus cambia e si adatta a un organismo di una specie diversa Ingresso del virus nell’ospite: Ospite eucariote  per endocitosi, per fusione del pericapside Ospite procariote  per iniezione del genoma virale I virus utilizzano il macchinario cellulare per creare molte copie del genoma e delle proteine virali Ingresso per endocitosi recettore-mediato Ciclo litico del fago virulento (T4) Ingresso per iniezione del genoma virale Ciclo litico e lisogeno di un fago temperato (fago lambda)  Ciclo vitale acuto di SARS-CoV-2  Coronavirus = grandi glicoproteine (Spike) che formano una corona  Infetta principalmente le vie aeree, ma può infettare tutti i tessuti che esprimono il recettore  Agente patogeno di COVID-19  Causa infezione acuta, in cui può sviluppare Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) Ciclo vitale latente di HIV  Virus dell’Immunodeficienza Umana (HIV), derivato dal Simian Immunodeficiency Virus (SIV)  Infetta i linfociti T del sistema immunitario  Lentivirus del gruppo dei Retrovirus = copiano l’RNA in DNA (trascrizione inversa)  Integra il genoma a DNA in quello della cellula ospite; si riattiva dopo anni causando la Sindrome dell’Immunodeficienza Acquisita (AIDS)  Sono comparsi prima le cellule o i virus?  Teoria della co-evoluzione Durante l’evoluzione temporale, le interazioni cellula-virus hanno permesso lo scambio di differenti geni. Per questa ragione alcuni geni presenti nei procarioti o negli eucarioti sono rilevabili anche nei virus. In alcune cellule esistono degli elementi genetici mobili: Plasmidi  piccoli DNA circolari presenti nei batteri Trasposoni  piccoli frammenti di DNA lineare che si spostano dentro il genoma cellulare  I virus potrebbero precedere evolutivamente questi elementi genetici Ma i virus fanno solo male? Virus oncolitici Virus che entrano nelle cellule tumorali e le uccidono  riduzione della massa tumorale Virus come vettori di geni 1) Vettori virali per vaccini: modifico un virus che fa da trasportatore («carrier») di un gene di un altro organismo (virus, batterio, altro) per vaccinare contro quel determinato patogeno; 2) Vettori per terapia genica: modifico un virus per portare permanentemente (HIV, Herpes, ecc.) la copia del gene corretto per curare una patologia. Virus come antibiotici Selezione dei batteriofagi più aggressivi da somministrare quando gli antibiotici non funzionano (phage therapy)