1a Struttura della cellula batterica PDF

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STRUTTURA DELLA CELLULA BATTERICA Le cellule eucariotiche sono più complete rispetto ai procarioti:  le prime presentano un nucleo contenente DNA  le seconde non hanno un nucleo ben definito ma un falso nucleo nel citoplasma detto nucleoide in cui risiede il materiale genetico. Agli eucarioti appartengono i vegetali superiori e gli animali. I procarioti sono rappresentati dai batteri.

PROCARIOTI Le cellule dei procarioti (tra cui i batteri), oltre che del nucleo, mancano di molte delle strutture interne tipiche di quelle degli organismi eucarioti. Pur essendo dotate di membrana plasmatica ed eventuale parete cellulare (formata da peptidoglicano, mureina), sono prive di membrana nucleare; la molecola di DNA circolare si trova libera nel citoplasma fissata alla membrana cellulare da una struttura detta desmosoma. Si riproducono attraverso scissione binaria (prevede una fase di divisione nucleare che separa i cromosomi e una che porta alla ripartizione del citoplasma nelle cellule figlie (citodieresi)) Sono pure assenti i mitocondri, il reticolo endoplasmatico, i cloroplasti e l’apparato del Golgi. Generalmente non ci sono strutture interne limitate da membrane (ad esempio nei cianobatteri) ma si trovano numerose strutture membranose, chiamate mesosomi. Nei procarioti è presente il nucleoide, dove troviamo un solo cromosoma, e il DNA si trova immerso direttamente nel citoplasma, senza membrana nucleare.  Quando si vuole prelevare il DNA da un procariote o da un eucariote bisogna utilizzare tecniche diverse, poiché nel caso dei procarioti non c’è bisogno di rompere la membrana nucleare in quanto non esiste. Altre differenze sono: o I ribosomi negli eucarioti sono più grandi (80S) mentre nei procarioti sono più piccoli (70S) o I cloroplasti sono presenti negli eucarioti vegetali mentre sono assenti nei procarioti. I procarioti sono divisi a loro volta in:  Archeobatteri: sono batteri poco evoluti, sono primordiali rispetto agli eubatteri; hanno alcune caratteristiche simili a quelle degli eucarioti (assenza di peptidoglicano), sono in grado di vivere in condizioni 1

estreme (come gli osmofili in grado di vivere in condizione di elevata concentrazione salina). Di interesse agrario sono gli archeobatteri metanogeni che producono metano e vivono in condizioni di anaerobiosi molto stretta. Questi producono metano da rifiuti organici. Tale biogas è composto da metano, con tracce di CO2, SO2; infatti, per la presenza di questi due composti non viene chiamato metano ma biogas poiché è un miscuglio di gas, che successivamente deve essere purificato. L’SO 2 (anidride solforosa) a contatto con H2O forma H2SO3 (acido solforoso). Se l’acido reagisce con uno ione o metallo forma un sale (es. H2SO3+Fe= FeSO3 (solfito di ferro) che è un sale). Tale reazione si ha quando il biogas è prelevato e iniettato nella bombole che presentano umidità, quindi si forma acido solforoso. Questo gas è poi utilizzato dalle macchine a motore a scoppio, dove le tracce di acido solforoso presenti nel biogas reagiscono con il ferro del cilindro, creando corrosione se non vene purificato. Per questo motivo il biogas va purificato dall’SO2 lasciando solo il metano.  Eubatteri: sono batteri più complessi ed evoluti (escherichia coli).

Le forme dei batteri I batteri possono presentare varie forme:  Coccica (sferica)  Bacillo (bastoncello)  Vibrione (fagiolo)  Spirillo (spirale)

Si in sporigeni o asporigeni e in aerobi o anaerobi.

distinguono

I batteri si possono trovare in differenti tipi di aggregazioni che si tengono insieme da una specie di capsula, quali:  Diplococchi: gruppi di due  Streptococchi: a forma di coroncina, forma tonda (nel pus dei foruncoli)  Sarcina: gruppi di 4  Stafilococchi: a grappoletti  Streptobacilli: catenelle, cellule lunghe 2

STRUTTURA DELLA CELLULA BATTERICA La cellula batterica è formata da diverse parti, partendo dall’interno verso l’esterno troviamo: 1. Nucleoide 2. Citoplasma 3. Membrana citoplasmatica 4. Spazio periplasmatico 5. Parete cellulare 6. Capsula (non è presente in tutti i batteri)

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La parte interna della cellula costituisce il citoplasma del batterio, poi troviamo il nucleoide (falso nucleo) quindi il DNA cromosomiale si trova diffuso nel citoplasma. Tale DNA è super attorcigliato e se estratto dalla cellula diventa visibile a occhio nudo (lungo circa 1,5 mm) per cui passiamo da 1 micron a 1,5 mm. Andando verso l’esterno troviamo una membrana sottile che prende il nome di membrana citoplasmatica. Esternamente troviamo la parete cellulare. Tra la parete cellulare e la membrana citoplasmatica abbiamo lo spazio periplasmatico. E dopo tale spazio abbiamo la parete cellulare. Esternamente alla parete cellulare possiamo trovare delle secrezioni mucillaginose (non solide) che vanno a costituire la capsula. Non tutti i batteri presentano questa capsula; la capsula non è un costituente della cellula ma è un prodotto della cellula, cioè qualcosa secreto dalla cellula e riversato esternamente. Sempre all’esterno possono esserci delle appendici rappresentate da: fimbrie, pili, flagelli. 4

FLAGELLI Servono per il movimento della cellula (maggiormente per quelle acquose) e lo fanno con un movimento ondulatorio. Il flagello è formato da 3 parti: 1. Corpo basale: sul corpo basale s’inserisce la struttura ad uncino su cui è legato il filamento flagellare. È immerso nella cellula (una parte pesca nel citoplasma) che ancora il flagello alle strutture cellulari e rappresenta il motore del movimento rotatorio del flagello 2. Giunto uncino: uncino, dove si attacca la flagellina e quindi il flagello 3. Filamento flagellare: è un filamento elicoidale che protrude dalla cellula formato da un’unica proteina detta flagellina

STRUTTURA DI UN FLAGELLO

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Sono costituiti da subunità di flagellina unite tra loro a spirale tramite legami ionici, non covalenti, quindi legami non molto forti. I batteri possono avere uno o più flagelli, distribuiti sulla cellula in diversi modi:  Monotrichi: sono batteri con un unico flagelli ad una estremità  Anfitrichi: possiedono due (o più) flagelli alle estremità  Lofotrichi: più flagelli alle estremità a formare un ciuffo  Peritrichi: più flagelli sparsi su tutta la superficie intorno alla cellula

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Si può capire se una cellula è monotrica o anfitrica tramite il suo movimento, poiché se è monotrica ha un movimento quasi rettilineo, mentre se è anfitrica ha dei movimenti a zig-zag. Se noi scaldiamo le cellule o le sottoponiamo a uno stress di pH, le due subunità della flagellina si separano e di conseguenza il flagello si stacca dall’uncino. Ad esempio, scaldando le cellule batteriche a 100°C le flagelline si staccano e il batterio perde il flagello diventando così sessile (senza coda); se riporto a 30°C le due subunità si ricollegano tra loro ma non si collegano con l’uncino. Tale aspetto è importante visto che per poter fare delle analisi microbiologiche dobbiamo in alcuni casi togliere questi flagelli. Infatti, in base alla presenza o meno di flagelli, loro numero, ecc. possiamo riconoscere i batteri.  Ad esempio, se vogliamo conoscere il numero di batteri azotofissatori presenti in un campione di terreno (rizobi): supponiamo che 3 colonie presenti sono di rizobi, ma sfortunatamente tali colonie di rizobi sono esattamente uguali a quelle degli altri batteri e nelle normali analisi non è facile distinguere chi è rizobio e chi non lo è, però è possibile identificarli con la sierologia attraverso la reazione antigeneanticorpo. Cioè alcune sostanze e in particolar modo le proteine, hanno un’attività antigenica, se prendiamo il batterio e lo iniettiamo in un qualunque animale (generalmente un coniglio) indicando il batterio come una proteina (poiché la parete cellulare è costituita prevalentemente da proteine), il coniglio reagisce producendo anticorpi specifici che si attaccano alla parete cellulare del batterio che noi abbiamo iniettato e le distruggono. Quindi le proteine iniettate in un organismo producono anticorpi; il rizobio iniettato nel coniglio produce anticorpi che riconoscono solo quel batterio specifico che è stato iniettato nel coniglio. Quindi se non eliminiamo il flagello al rizobio avremo 2 tipi di anticorpi. Quando iniettiamo una proteina in un corpo animale, esso reagisce aggredendola e producendo anticorpi che si attaccano ad essa e la distruggono.  Procedimento eliminazione flagello: Si prende la sospensione di rizobi, si scalda a 100°C e poi si centrifuga. 7

Il corpo della cellula essendo più pesante si raccoglie sul fondo della provetta, i flagelli invece sono più leggeri e rimangono in superficie, quindi basta poi svuotare lentamente, senza movimenti bruschi la provetta per avere rizobi senza flagelli.

FIMBRIE Sono appendici più corte, il loro compito non è ancora ben noto. Siccome vibrano con un certo movimento, si presuppone che servano a creare un vortice e quindi a rimescolare il substrato in cui vivono per agevolarsi la nutrizione. Queste sono costituite da un’unica proteina idrofobica, organizzata in una struttura tubolare. Le fimbrie presentano proprietà antigieniche.

PILI Sono strutture tubolari cave all’interno, che permettono il passaggio di fattore genetico (plasmidi) da una cellula all’altra (la modalità con cui avviene questo passaggio non è ancora nota). A tal proposito esistono 2 teorie: 1. Si sostiene che i pili stessi dopo essersi avvicinati alla cellula senza pili, bucano la parete di essa con enzimi permettendo il passaggio del plasmide 2. Si sostiene che i pili fungono soltanto da arpioni e nei punti di contatto attraverso processi litici, bucano la parete permettendo il passaggio dei plasmidi (coniugazione). I pili servono inoltre da recettori nei confronti dei virus batterici. Sono costituiti da monomeri di pilina.

1) NUCLEOIDE O NUCLEOPLASMA I batteri sono sprovvisti di un nucleo vero e proprio e il DNA è diffuso nel citoplasma senza membrana nucleare. Se il DNA fosse steso si raggiungerebbe la lunghezza di 1,5 mm (visibile a occhio nudo). Oltre al DNA cromosomiale, troviamo altri tipi di DNA circolari detti plasmidi, con funzioni indipendenti dalla cellula stessa. Il nucleoide è la principale struttura in cui è localizzata l’informazione genetica delle cellule procariotiche e può avere posizione centrale (nei Gram positivi) o periferica (nei Gram negativi)  È costituito da un’unica molecola di DNA a struttura bicatenaria (cromosoma batterico) e forma circolare 8

 Manca la membrana nucleare  Nella maggior parte dei procarioti c’è un singolo cromosoma  Presenza di plasmidi

2) CITOPLASMA Con il termine citoplasma si intende tutta la porzione di una cellula contenuta all'interno della membrana cellulare presente sia nelle cellule eucariote sia in quelle procariote. È costituito da organuli cellulari dispersi in una matrice fluida detta citosol. Il citoplasma occupa circa la metà del volume totale della cellula e vi si trovano all'interno tutte le sostanze chimiche vitali tra cui sali, ioni, zuccheri, una grande quantità di enzimi e proteine e la maggior parte dell'RNA.

Procarioti  È composto per l’80% di acqua  Contiene soprattutto proteine (enzimi), carboidrati, lipidi, ioni e altri composti a basso peso molecolare  Si presenta acquoso, denso, semitrasparente ed elastico

3) LA MEMBRANA CITOPLASMATICA  È una membrana semipermeabile e selettiva che regola il passaggio delle sostanze nutritive e dei prodotti di rifiuto  È una membrana estremamente fluida  È responsabile del mantenimento della stabilità osmotica della cellula  Danni a questa membrana da agenti chimici o fisici provocano la morte della cellula 9

 È costituita da un doppio strato di fosfolipidi La membrana citoplasmatica e con essa anche quella esterna dei Gramsono composte da fosfolipidi (sono composti anfifilici, cioè che hanno una parte idrofila (affine all’acqua, interno) ed una parte idrofoba (cioè lipofila, affine ai grassi, esterno). Le due parti idrofobe si attaccano tra di loro e si trovano verso l’interno). Sono presenti anche delle proteine associate alla membrana, dette intrinseche (svolgono funzione stabilizzante all’interno della membrana evitando lo slittamento del doppio strato fosfolipidico) ed estrinseche (si trovano legate sulla membrana tramite legami ionici, interessano un solo strato e si comportano da antigene). Tra queste proteine ci sono i carrier, formati generalmente da 3 subunità che si legano insieme a formare un complesso.

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4) LO SPAZIO PERIPLASMATICO Tra la membrana citoplasmatica e la parete cellulare esiste lo spazio periplasmatico, sia nei gram+ che nei gram-. Lo spazio periplasmatico è indispensabile per la cellula perché al suo interno si trovano molti enzimi proteici coinvolti nella nutrizione della cellula stessa che non riescono ad attraversare la membrana citoplasmatica quindi lì vengono sminuzzati così da poter riuscire a passare. Tra tali proteine c’è una classe particolare di proteine dette shock protein, le quali si formano quando la cellula è sottoposta a stress termici.  Se si prende una cellula e la si sottopone a una temperatura di 5-6° C, la cellula accumula nello spazio periplasmatico queste proteine che servono per proteggere la cellula dai danni del freddo. Le shock protein si trovano in abbondanza nei lieviti, sono state utilizzate anche per le cellule eucariotiche delle piante superiori. Infatti, valutando l’accumulo delle shock protein sono state selezionate delle linee di graminacee resistenti ai danni da freddo e da gelo. Al Nord sono state selezionate delle linee di orzo resistenti alle gelate invernali.

5) PARETE CELLULARE Circonda esternamente la cellula ed è una struttura resistente ed elastica che la protegge meccanicamente, la protegge dalle variazioni osmotiche, filtra le macromolecole in transito e coopera nella riproduzione. Il principale componente della parete cellulare è il peptidoglicano. Quest’ultimo è costituito da una molecola di NAG e una di NAM, tenute insieme da un legame glicosidico C-O-C, tale legame si trova anche in altri polisaccaridi come la cellulosa e chitina. Esso dà rigidità alla cellula. Nei vegetali la struttura è formata da monomeri di glucosio che formano la cellulosa (polimero che dà rigidità alle piante; si trova maggiormente nelle erbacee, mentre nelle arboree si trova la lignina). Gli enzimi che rompono la cellulosa si chiamano cellulase.

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La cellulosa è un polisaccaride formato da tanti NAG e NAM, entrambi presenti nella parete dei batteri. Se invece troviamo solo NAG abbiamo il polimero denominato chitina che non è presente nei batteri (presente nei lieviti, funghi ed esoscheletro degli insetti). La chitina non viene attaccata dal lisozima ma dall’enzima chitanasi, che rompe la chitina. La chitina dà rigidità ai funghi al posto del peptidoglicano. Ci sono enzimi che sono in grado di rompere i legami glicosidici e prendono nomi diversi a seconda del substrato (idrolasi). L’enzima che rompe il legame glicosidico della mureina (peptidoglicano) idrolizzandola è il lisozima. Il lisozima è presente anche nel corpo umano (lo ritroviamo nelle lacrime), è per questo che difficilmente si contraggono infezioni agli occhi, proprio per la presenza del lisozima che degrada le pareti dei batteri impedendone l’entrata negli occhi. È presente anche nell’albume delle uova e serve a proteggere il tuorlo da eventuali attacchi di batteri che riescono a penetrare nel guscio. Quindi il lisozima è un antibatterico naturale che idrolizza il peptidoglicano delle cellule che vanno a contatto con il lisozima perdendo la mureina, di conseguenza perdono anche la loro rigidità. Le cellule prive di peptidoglicano vengono dette protoplasti. I protoplasti non avendo più la mureina che li protegge devono essere conservati in una soluzione isotonica, in modo che la cellula rimanga in vita (in una soluzione dove la pressione osmotica esterna eguagli quella interna della cellula stessa). Quasi tutti i batteri hanno una parete cellulare che contiene peptidoglicano. In base alla diversa composizione chimica della parete i batteri vengono distinti in:  Batteri GRAM+, la cui parete è composta da peptidoglicano (circa il 90%) e da acidi teicoici e polisaccaridi (è presente una membrana esterna)  Batteri GRAM-, la cui parete è composta oltre che da mureina (circa il 10-15%) anche da una parete esterna lipidica (lipopolisaccaridi e da lipoproteine)

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La parete dei GRAM+ è completamente diversa da quella dei GRAM-. Nei GRAM+ la parete appare come uno strato uniforme con uno spessore da 100 a 800 Å (Ångström) dove esiste un solo strato di peptidoglicano separato dalla membrana plasmatica per mezzo del periplasma (spazio periplasmatico). Nei GRAM- la parete è più sottile con uno spessore da 80 100 Å; la struttura è più complessa, presenta la membrana esterna che si trova al di fuori dello strato di peptidoglicano; la proteina presente in maggior quantità è la lipoproteina di Brown, che presenta una terminazione idrofobica tramite la quale si lega alla membrana esterna. In questo modo la lipoproteina funge da legante fra la membrana esterna e lo strato di peptidoglicano. La membrana esterna presenta molte molecole grosse e complesse, denominate “lipopolisaccaridi (LPS)” collegati tra proteine che attraversano lo spazio periplasmatico.

ALTRI COMPONENTI DELLA PARETE CELLULARE Proteine I batteri hanno una attività antigienica, cioè se iniettati in un organismo vivente producono anticorpi. Questa attività antigenica delle cellule batteriche è conferita proprio dalle proteine presenti sulla loro parete esterna. Nella parete cellulare sia dei Gram+ che dei Gram- sono presenti le proteine che a volte formano degli strati regolari. La funzione delle proteine non è molto chiara in quanto non si tratta di costituenti cellulari tipici non essendo presenti in tutti i batteri. In alcuni casi le proteine si organizzano tra loro e formano delle strutture con piccole cavità al loro interno, dette porine. Sono dei canali che servono per scambiare sostanze a basso peso molecolare. 13

Lipidi I lipidi presenti nelle cellule batteriche sono detti lipide A e molto spesso associandosi con gli zuccheri o polisaccaridi formano i lipopolisaccaridi (LPS). Sia nei batteri che nei lieviti la concentrazione di grassi è molto elevata (intorno al 20-30% della biomassa cellulare). Sono formati da glicerina che viene trasformata in acidi grassi che possono essere:  Acidi grassi saturi: presentano un solo legame  Acidi grassi insaturi: presentano un doppio legame  Acidi grassi polinsaturi (PUFA): presentano più di un doppio legame, costituiscono l’omega 3 (ricco nel pesce, viene assunto per abbassare il colesterolo nel sangue) e l’omega 6 (migliore dell’omega 3); i lieviti sono ricchi di omega3 e omega 6 e quindi vengono estratti da loro invece di estrarli dal pesce in quanto è economicamente più conveniente; nell’olio si trova un lievito probiotico (micro-organismo vivo che, somministrato in quantità adeguata, apporta un beneficio alla salute dell'ospite) che digerisce il colesterolo.

Polisaccaridi Tra i polisaccaridi abbiamo la mureina, gli acidi tartarici, gli acidi teicoici e teicuronici, la N-acetilglusammina, i fosfati, etc.

Lipopolisaccaridi (LPS) Sono situati a livello della membrana esterna dei Gram-. Sono molto importanti per la salmonella. 14

Membrana esterna batteri GRAM-: strato LPS

Il lipopolisaccaride consiste di tre porzioni: 1. Una porzione lipidica (lipide A) rappresenta la frazione tossica. Al lipide A è legata una porzione polisaccaridica proiettata all’esterno della membrana e composta a sua volta da due parti: a) una catena di zuccheri (parte centrale o core) con struttura costante in tutti i Gram negativi appartenenti alla stessa specie b) una lunga catena polisaccaridica di composizione differente nei batteri appartenenti alla stessa specie con spiccate proprietà antigeniche (antigene O)

USO DEL LISOZIMA Settore enologico Il mosto è pieno di batteri presenti sulla buccia dell’uva, molti dei quali dan...