I procarioti

Prof. Giovanni Spampinato

FACOLTÀ DI AGRARIA

UNIVERSITÀ MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA

Lezioni di

BIOLOGIA VEGETALE

PROCARIOTI

Prof. Giovanni Spampinato

FACOLTÀ DI AGRARIA

UNIVERSITÀ MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA

Lezioni di

BIOLOGIA VEGETALE

PROCARIOTI

Procarioti

GENERALITA’

• Sono gli organismi viventi più semplici, più piccoli, più diffusi e abbondanti sulla Terra.
• Sono gli organismi più primitivi che si sono evoluti per primi.
  • Si conoscono fossili di circa 3,5 miliardi di anni.
• Hanno una notevole diversità metabolica.
  • Vivono negli ambienti più disparati: fondali oceanici, ghiacciai, sorgenti termali, terreno, all’interno di altri organismi, ecc.
  • Hanno grande diversità metabolica. Vi sono batteri aerobi, anaerobi, fotosintetizzanti, chemiosintetizzanti, autotrofi, eterotrofi, ecc.
• Si riproducono asessualmente con notevole velocità.
  • Ad esempio una colonia di Escherichia coli è in grado di raddoppiare le proprie dimensioni ogni 20 minuti.

I PROCARIOTI

I procarioti hanno capacità di colonizzare ambienti tra i più ostili dove è impossibile la presenza di altre forme di vita come le sorgenti termali dove vivono i batteri termofili in grado di sopportare temperature di diverse decine di gradi.

Veduta aerea di una sorgente termale nel Parco Nazionale di Yellowstone.

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Procarioti

IMPORTANZA

• Sono responsabili di numerose malattie a danno dei vegetali e degli animali (tubercolosi, colera, carbonchio, il tetano...).
• Sono i principali responsabili della decomposizione della materia organica morta in grado di rimettere in ciclo molti elementi.
• Si deve a loro la presenza di ossigeno nell’ atmosfera primitiva

I PROCARIOTI

DOMINI DEI VIVENTI

Gli organismi viventi, sulla base di dati derivanti da analisi del DNA, sono riuniti in tre grandi domini:

1. Bacteria o Eubatteri (organismi procarioti)
2. Archea o Archibatteri (organismi procarioti)
3. Eukarya (organismi eucarioti)

All’interno del dominio Eukarya gli animali, i funghi e le piante costituiscono dei regni separati, i restanti gruppi vengono riuniti nel regno Protista

Procarioti

LA CELLULA PROCARIOTICA

• Sono assenti gli organuli cellulari e il nucleo.
• DNA sotto forma di un anello legato alla membrana plasmatica localizzato nella regione della cellula detta nucleoide.
• La cellula può contenere anche altri frammenti di DNA, i plasmidi, che si replicano indipendentemente dal cromosoma cellulare.
• Il citoplasma non presenta una struttura organizzata, è assente il citoscheletro
• I ribosomi sono più piccoli (70 S)
• Sono dotati di una parete cellulare rigida.
• Possono muoversi grazie alla presenza di flagelli che però presentano una organizzazione strutturale diversa da quelli della cellula eucariotica.

Procarioti

Parete Cellulare

• È presente in tutti i batteri ad eccezione dei micoplasmi.
• In genere è rigida e conferisce la forma al batterio.
• La natura chimica è piuttosto complessa e molto diversa da quella degli eucarioti
• I Batteria hanno la parete formata da peptidoglicani, dei polimeri complessi.

Procarioti

Parete Cellulare

I Bacteria possono essere suddivisi in due grandi gruppi sulla base della capacità della loro parete cellulare di trattenere o meno il colorante noto come cristal violetto. Ciò dipende dalla diversa struttura della parete cellulare.

• GRAM-POSITIVI batteri la cui parete cellulare trattiene il colorante,
• GRAM-NEGATIVI batteri che non sono in grado di trattiene colorante.

GRAM-POSITIVI Parete formata da uno strato omogeneo costituito principalmente da petidoglicano

GRAM-PNEGATIVI Parete formata da uno strato interno di petidoglicano e da uno esterno di lipopolisaccaridi

PRICIPALI DIFFERENZE FRA CELLULA PROCARIOTICA ED EUCARIOTICA

Procarioti

• Membrana nucleare: assente
• Struttura del DNA: un solo cromosoma circolare ancorato alla membrana cellulare (nucleoide), più plasmidi.
• Organelli: assenti
• Citoscheletro: assente
• Ribosomi più piccoli (70s)

Eucarioti

• Membrana nucleare: presente
• Struttura del DNA: numerosi cromosomi lineari
• Organelli: presenti
• Citoscheletro: presente
• Ribosomi più grandi (80s)

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Procarioti

I Batteri mostrano una notevole diversità di forme:

• BACILLI di forma cilindrica
• COCCHI di forma sferica
• SPIRILLI a forma di spirale o ricurvi.

Procarioti

Colonie

Le cellule di molti procarioti restano attaccate dopo la divisione cellulare, dando luogo a colonie dalla morfologia caratteristica a forma di filamenti, grappoli, ecc.

Streptomyces scabies

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Procarioti

Molti procarioti sono capaci di muoversi indipendentemente grazie alla presenza flagelli che sono strutturalmente diversi da quelli degli eucarioti.

Pseudomonas marginalis

Procarioti

RIPRODUZIONE

La maggior parte dei procarioti si riproducono solo asessualmente per SCISSIONE.

In alcune forme la riproduzione può avvenire per GEMMAZIONE o per frammentazione della cellula.

I procarioti, riproducendosi asessualmente, producono cloni di cellule geneticamente identiche.

Le mutazioni, combinate con tempo di generazione molto veloce, sono responsabili della straordinaria adattabilità dei procarioti.

Procarioti

SCAMBIO GENICO

Tra i procarioti sono possibili anche modalità di scambio genico:

• CONIUGAZIONE: un pelo formato da una cellula donatrice prende contatto con una cellula ricevente così da trasferire frammento di DNA.
• TRASFORMAZIONE: un procariote assume un frammento di DNA dall’ ambiente esterno.
• TRADUZIONE: il trasporto del DNA è mediato dai batteriofagi (particolari virus)

Coniugazione in Escherichia coli. A destra cellula donatrice, a sinistra cellula ricevente

Procarioti

Endospore

Alcuni batteri hanno la capacità di formare endospore mediante sporulazione.

Le endospore sono prodotte quando le condizioni ambientali diventano avverse o si esauriscono le risorse alimentari.

Le endospore rappresentano cellule quiescenti molto resistenti che sono in grado di superare periodi sfavorevoli anche molto lunghi.

Sporadi Bacillus megaterium

Procarioti

METABOLISMOI procarioti manifestano una notevole diversità metabolica

Esigenze di Carbonio

• AUTOTROFI utilizzano come fonte di carbonio la CO2.
  • autotrofi fotosintetici ricavano la propria energia dalla luce
  • autotrofi chemiosintetici utilizzano composti inorganici come fonte di energia.
• ETEROTROFI richiedono composti organici come fonte di carbonio e di energia.
  • Saprofitì utilizzano la sostanza organica morta
  • Simbionti vivono assieme ad altri organismi viventi utilizzandone parete della sostanza organica
  • Parassiti utilizzano la sostanza organica vivente arrecando danni agli ospiti.

Procarioti

Metabolismo

Tolleranza all'ossigeno

I procarioti si distinguono per la loro necessità di ossigeno, o per la loro resistenza all’ossigeno.

• Aerobi richiedono ossigeno per la respirazione
• Anaerobi obbligati non possono vivere in presenza di ossigeno
• Anaerobi facoltativi possono vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno

CIANOBATTERI (ALGHE AZZURRE)

• I cianobatteri rappresentano una della principali linee evolutive dei Bacteria.
• Sono in grado di svolgere la fotosintesi ossigenica in quanto posseggono la clorofilla a oltre a ficobiline e ficoeritrine che impartiscono il colore azzurrognolo alla massa di questi organismi.
• Rivestono una grande importanza ecologica visto il loro ruolo nei cicli dell’ azoto e del carbonio.

CIANOBATTERI

• Organismi procarioti unicellulari di forma sferica o allungata.
• Possono vivere isolati o, più frequentemente, riunirsi in colonie avvolte da una guaina mucillaginosa che mantiene unite le singole cellule.
• In una colonia ciascun individuo continua a condurre vita autonoma.
• Le colonie sono planctoniche (liberamente natanti) o bentoniche (fissate ad un substrato).
• Le colonie hanno varia forma: filamentose (Oscillatoria), elicoidale (Spirulina) o variamente attorcigliata (Nostoc), ramificata (Rivularia,) o presentarsi come agglomerati più o meno voluminosi, di cellule immerse in un'abbondante massa gelatinosa (Gleocapsa).

Cianobatteri

ORGANIZZAZIONE CELLULARE

• Strato mucillaginoso localizzato all’ esterno della parete cellulare.
• Parete cellulare di natura cellulosica.
• Membrana cellulare che si introflette a formare una serie di tilacoidi dove si localizzano i pigmenti fotosintetici (clorofilla a, ficobiline, ficoeritrine).
• Citoplasma contenente le sostanze di riserva rappresentati soprattutto dal glicogeno.

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Cianobatteri

Organizzazione cellulare

• Guaina
• Parete
• Plasmalemma
• Tilacoidi con ficobilisomi
• Polifosfati
• Cianoficina
• Ribosomi
• Corpo poliedrico
• DNA
• Vacuoli gassosi
• Sferosomi
• Amido delle Cianoficee

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CIANOBATTERI

• Sono note oltre 7500 specie di cianobatteri.
• Vivono in un‘ampia varietà di ambienti, dalle acque dolci alle sorgenti termali, ai laghi ghiacciati antartici.
• Sono un costituente importante del plancton.
• Aggregandosi possono dare origine a particolari formazioni: le stromatoliti.

Stromatoliti: si formano quando colonie di cianobatteri si insediano su sedimenti ricchi in calcio che si deposita formando stratificazioni di carbonato di calcio.

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CIANOBATTERI

I cianobatteri marini o di acqua dolce, specialmente quelli che popolano gli strati superficiali delle acque, sono una componente del plancton

Grazie a vacuoli gassosi i cianobatteri possono galleggiare.

Figura 17.4 Ultrastruttura di Nodularia spumigena (Nostocales). G: guaina; P: parete cellulare; Vg: vacuoli gassosi (osservazione di P. Albertano).

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CIANOBATTERI

Molti generi di cianobatteri possono fissare l'azoto atmosferico, convertendo l'azoto gas N₂ in azoto ionico come ione ammonio NH₄.

Nei cianobatteri filamentosi la fissazione dell'azoto avviene all'interno di cellule specializzate dette eterocisti di maggiori dimensioni.

Le eterocisti contengono la nitrogenasi un enzima in grado di fissare l'azoto gas in condizioni di anaraeobiosi.

Le eterocisti mancano del fotosistema II cosicchè la fosforilazione ciclica che in essi si svolge non rilascia O₂.

Anabaena

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CIANOBATTERI

I cianobatteri svolgono un importante ruolo nell’ azione di fertilizzazione naturale dei terreni agricoli adibiti a risaie grazie alla loro capacita di fissare l’ azoto.

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Batteri Patogeni

Molti batteri sono patogeni per le piante coltivate.

Si comportano come parassiti, cioè simbionti dannosi per l’ospite.

La sintomatologia è molto variabile, in genere si tratta di macchie, necrosi e marciumi.

Nelle giovani piante erbacee, spesso orticole, possono provocare l’avvizzimento per invasione dei vasi xilematici.