Appunti su inclusioni citoplasmatiche - Microbiologia generale a.a. 2013/2014 PDF

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appunti di lezioni con immagini delle slide del corso e informazioni aggiuntive prese da test universitari...

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INCLUSIONI CITOPLASMATICHE La matrice contiene una grande varietà di corpi di inclusione, ovvero, granuli di sostanze organiche o inorganiche . in genere questi corpuscoli svolgono funzioni di deposito e inoltre riducono la pressiome osmotica legando molecole in forma particolata. Alcuni corpi non sono delimitati sa membrana e sono liberi nel citoplasma, altri sono invece circondati da un’unica membrana ad unico strato. Sono corpi di inclusione delimitati da membrana i granuli di poli-β-idossibutirrato, granuli di glicogeno e di zolfo, i carbossisomi e i vacuoli gassosi. Le membrane dei corpi d’inclusione hanno una composizione variabile e poiché fungono da deposito la loro quantità è molto variabile. I corpi di inclusione si solito contengono glicogeno oppure poli-β-idrossibutirrato. Il glicogeno è un polimero di glucosio tenuto insieme da legami lineari alfa1-4 e ramificati 1-6.il glicerolo si disperde più facilmente nel citoplasma sotto forma di piccoli granuli. Il poli-β-idrossibutirrato(PHB) è un polimero di β-idrossibutirrato, tenuto insieme da legati estere. Questi due tipi di inclusioni non sono mai presenti contemporaneamente, solo nei batteri porporini fotosintetici sono presenti entrambi. I CIANOBATTERI possiedono due tipi distinti di corpi di inclusione oraganici: i GRANULI DI CIANOFICINA e i CARBOSSISOMI. I granuli di cianoficina sono formati da grandi polipeptidi, composti da amminoacidi come arginina e acido aspartico. I carbossisomi sono corpi poliedrici composti dall’enzima ribulosio-1,5-difosfatocarbossilasi e fungono da riserve e come sito di fissazione della CO2. In molti cianobatteri fotosintetisi porporini e verdi sono presenti vacuoli gassosi che occorrono al batterio per galleggiare in colonna d’acqua. I vacuoli gassosi sono aggregati di un numero enorme di piccole strutture cilindriche cave: le vescicole gassose. Le pareti di queste non contengono lipidi e sono composte da un’unica proteina. I batteri dotati di vacuoli gassosi possono regolare la propria profondità di galleggiamento. Concentrando l’ossigeno tendono a risalire in superficie mentre, possono scendere a fondo collassando le vescicole. I CORPI DI INCLUSIONE INORGANICI possono essere di due tipi principali. I batteri accumulano fosfati sotto forma di granuli polifosfato o granuli di volutina. I granuli di volutina costituiscono una riserva di fosfato costituente essenziale di comparti cellulari e degli acidi nucleici. Fungono inoltre da riserve energetiche in quanto il polifosfato può venir associato e fornire energia. I corpi di inclusione inorganica possono servire a scopi diversi e ne sono una dimostrazione i magnetosomi, corpi di inclusione contenenti ferro sotto forma di magnetite e che occorrono per l’orientamento nel campo magnetico terrestre. I RIBOSOMI La matrice citoplasmatica è spesso affollata da RIBOSOMI che molto spesso sono liberi ma possono trovarsi anche legati alla membrana citoplasmatica. Al microscopio appaiono come masserelle piccole e informi. I ribosomi sono la sede della sintesi proteica e: quelli sparsi per il citoplasma sintetizzano proteine che rimarranno nella cellula, quelli invece attaccati alla membrana cellulare producono proteine che poi verranno esportate. I ribosomi procariotici sono più piccoli di quelli eucariotici, sono sempre e comunque formati da due subunità ( quella grande e quella piccola) e sono denominati 16S ( data la loro velocità di sedimentazione quando cono sottoposti ad un campo centrifugo). IL NUCLEOIDE Il cromosoma procariotico è collocato in una regione particolare del citoplasma che prende il nome di nucleoide. Il materiale genetico è dato solamente da un tipo di acido nucleico il DNA che è in forma circolare a doppio filamento ( ma in alcune specie può essere lineare). Nei batteri in fase di crescita il nucleoide è provvisto di prolungamenti che si proiettano nella matrice citoplasmatica. Probabilmenti questi prolungamenti contengono DNA in attiva trascrizione. Isolando e purificando i nucleodi viediamo che essi sono composti da : 60% in peso di DNA; 30% di RNA e 10% di proteine. In E.Coli il DNA circolare, ha una

lunghezza di circa 1400 nanometri (circa 230-700 volte la lunghezza della cellula) e quindi deve essere adeguatamente impacchettato. Il DNA viene ripiegato in anse ma non è mai associato a proteine istoniche, grazie a molecole di RNA e diverse proteine. ENDOSPORA BATTERICA Molti batteri Gram-positivi ( come i bacillus, i clostriduim..)sono in grado di generare al loro interno una struttura quiescente e particolarmente resistente detta endospora. Le spore sono delle strutture resistenti agli stress ambientali come il calore, le radiazioni UV, le radiazioni gamma, i disinfettanti chimici e la disidratazione ( i batteri che riescono a dare spore sono principalmente tutti batteri ambientali). Data la loro resistenza e dato che molte delle specie batteriche che le producono sono pericolosi patogeni, le endospore hanno grande rilevanza nella microbiologia alimentare, industriale e medica. In natura, le endospore contribuiscono notevolmente alla sopravvivenza quando l’umidità o i nutrienti scarseggiano. Le endospore possono essere visualizzate al microcopio ottico ma dato che SONO IMPERIABILI ALLA COLORAZIONE si evidenziano come aree prive di colore all’interno delle cellule batteriche che sono state trattate con blu di metilene ( la spora a seguito della colorazione di Gram diviene RIFRANGENTE). La LOCALIZZAZIONE delle spore all’interno della cellula madre, detta sporangio è varia: possono essere nella regione centrale della cellula, vicino ad un’estremità ( sub-terminali) o in posizione estremamente terminale. In alcuni casi l’endospora si fa cos’ grande da provocare il rigonfiamento dello sporangio. Alcune spore conferiscono poi una speciale morfologia che è quella detta A BACCHETTA DI TAMBURO ( tipica del batterio del tetano). Studi di microscopia elettronica hanno rilevato che la spora è una struttura complessa formata da vaie strati: - Esosporio un sottile strato delicato che la circonda esternamente (costituito da proteine , licidi, acidi grassi) - Tunica sporale ( ridica e spessa, 80% di matura proteica) composta da vari strati proteici con un discreto spessore. Essendo impermeabile la tunica conferisce resistenza all’attacco da agenti chimici. Inoltre si pensa sia la sede degli enzimi della germinazione; - la corteccia che può arrivare a rappresentare la metà del volume della spora, è composta da peptidoglicano. Particolarmente si trovano due strati di peptidogicano: o stato CS o corteccia spora specifica più esterna e data all’80% di peptidoglicano che possiede però pochissimi legami crociati e richiama acqua dall’interno determinando la disidratazione cellulare; o stato CM o di peptidoglicano al 20% dato dalla vecchia cellula vegetativa - parete sporale all’interno della corteccia, circonda il protoplasto o core (che contiene le normali strutture cellulari come i ribosomi e un nucleoide) il 15% del peso secco della spora è dato dalla presenza di acido dipicolinico complessato con ioni calcio; questo conferisce la RESISTENZA AL CALDO UMIDO, agli AGENTI OSSIDANTI e talvolta al CALDO SECCO. Recentemente sono state scoperte piccole molecole che si legano al DNA, queste proteine saturano IL DNA della spora proteggendolo dal calore, dalla disidratazione a dagli agenti chimici. Tramite un processo osmotico la corteccia può eliminare acqua dal protoplasma proteggiendolo così dai danni provocati dal calore e dalle radiazioni. Le spore contengono comunque enzimi deputati alla riparazione del DNA. Le spore sono caratterizzate da uno stato di criptobiosi o “vita-nascosta” in quanto la cellula presenta molte delle sue componenti ma l’attività metabolica è assolutamente inattiva.

La trasformazione di un batterio in un endospora è un meccanismo di differenziamento in quanto dei geni vengono disattivati e altri vengo invece attivati. La sintesi della spora inizia in un punto specifico ma che però varia tra le specie batteriche e quindi ha VALORE TASSONOMICO. Il PROCESSO DI FORMAZIONE DELLA SPORA è detto sporulazione o sporogenesi e inizia quando la crescita della cellula batterica si blocca per mancanza di nutrienti. Durante la sporulazione si ha un’altissima sintesi proteica ( tra cui vengono sintetizzati antibiotici la cui funzione cellulare è quella di regolare la trascrizione genica). L’evento di sporulazione comprende 7 fasi: - formazione di un filamento di materiale nucleare ( fase I) - invaginazione della membrana citoplasmatica fino a racchiudere un filamento di DNA - si formano due invaginazioni, una più grande e una più piccola. La membrana della più grande continua a crescere fino a inglobare la più piccola ( fase II) - inizia quindi la sintesi della corteccia (fase III) che si forma nello spazio tra le due membrane e si associa con l’accumulo di calcio e acido dipicolinico ( fase IV) - si firmano allore le tuniche proteiche intorno alla corteccia e si ha la maturazione della spora ( fase VI) - in ultimo gli enzimi litici distruggono lo sporangio e la spora è liberata dell’ambiente ( fase VII). La SPORA MATURA possiede sempre le seguenti caratteristiche: - MORFOLOGIA ( si passa da una morfologia a BASTONCELLO a una forma COCCOIDE) - COMPOSIZIONE - DISIDRATAZIONE - NO METABOLISMO - RESISTENZA Il processo inverso, che porta alla formazione di una cellula vegetativa a partire da una spora quiescente è formato da tre fasi: - ATTIVAZIONE - GERMINAZIONE - ESOCRESCITA La germinazione è l’unita della spora dallo stato quiescente; si inizia con un riconfiamento della spora che va a rompersi e perde tutte le sue proprietà di protezione. Si ha un grande aumento dell’attività metabolica. Alla germinazione segue lo stadio della esocrescita in cui il protoplasto della spora sintetizza tutte le componenti necessarie e si sviluppa in un batterio attivo.

LA NUTRIZIONE E IL METABOLISMO MICROBICO Per ottenere energia e costruire nuove componenti cellulari, i microorganismi devono avere a disposizione materiali grezzi, o nutrienti. L’analisi della composizione della cellula microbica ha rivelato che oltre il 95%del suo peso secco è costituito da un ridotto numero si elementi principali, quali: - Carbonio - Idrogeno - Azoto - Zolfo - Fosfato - Potassio - Calcio - Magnesio - Ferro Questi vengono definiti macroelementi in quanto i batteri ne necessitano in quantità molto grandi. I primi sei elementi rientrano nella composizione dei carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici; gli altri 4 sono presenti nella cellula come cationi e svolgono ruoli differenti: - K+ necessario per l’attività di molti enzimi - Ca2+ funzione di termoresistenza delle endospore - Mg2+ funge da cofattore per molti enzimi - Fe3+ e Fe2+ sono i costituenti dei citocromi e fungono anche da cofattori metallici Tutti gli organismi hanno poi bisogno di altre sostanze che passano sotto il nome di micronutrienti la cui presenza è sufficiente in tracce. Sono manganese. Zinco, cobalto, nikel e rame In matura i micronutrienti sono ubiquitaria e probabilmente di solito sono fattori non limitanti della crescita microbica. - Zn2+ presente nel sito attivo di alcuni enzimi - Mn2+ contribuisce all’azione di enzimi che catalizzano il trasferimento di gruppi fosfato - Mo2+ necessario per la fissazione dell’azoto - Co2+ componente essenziale della vitamina B12 Il carbonio è essenziale per la costituzione dello scheletro della cellula. Oltre al bisogno di carbonio, idrogeno e ossigeno le cellule necessitano anche di una fonte di elettroni. Il trasferimento di elettroni lungo la catena di trasporto è una delle principali reazioni in cui si ho la produzione di energia. Gli elettroni sono essenziali anche per ridurre le molecole durante le biosintesi infatti più alto è il grado di riduzione delle molecole e maggiore è il loro contenuto energetico. In alcuni casi le richieste di carbonio, idrogeno e ossigeno possono essere soddisfatte contemporaneamente per esempio dell’assunzione di carboidrati. Molti organismi eterotrofi, che utilizzano come fonte di carbonio comporti organismi preformati, possono ottenere tutti i componenti citati dalle stesse molecole. Inoltre, più la fonte di carbonio organismo è in stato ridotto maggiore sarà il suo apporto di energia. Altro organismi utilizzano la CO2 come loro unica o principale fonte di carbonio e sono dette autotrofi. Poiché la CO” non può soddisfare le richieste energetiche, ulteriore energia viene ottenuta dalla luce o da composti inorganici ridotti. Si definiscono ETEROTROFI i microorganismi che usano come fonte di carbonio molecolare organico ridotto e preformato. Una delle più notevoli caratteristiche nutrizionali dei microorganismo è la loro straordinaria flessibilità rispetto all’utilizzo delle fonti. Al contrari di questi batteri onnivori, altri sono piuttosto esigenti e possono

catabolizzare soltanto pochi composti. Sembra che le complesse popolazioni di microorganismi negli ambienti naturali siano spesso in grado di metabolizzare persino composti artificiali. Poiché la richiesta di carbonio, energia ed elettroni è così importante è stato possibile classificare i microorganismi, IN GRUPPI NUTRIZIONALI, a seconda di COME SODDISFANO QUESTE ESIGENZE. Abbiamo già parlato della divisione in autotrofi e eterotrofi ( per quanto riguarda il carbonio) Le possibili fonti di energia sono: - Energia luminosa - Energia derivante dall’ossidazione di molecole organiche o inorganiche Si dicono FOTOTROFI gli organismi che utilizzano come fonte di energia la luce e CHEMIOTROFI quelli che ricavano energia dall’ossidazione di composti chimici. I microorganismi possono poi sfruttare solo due fonti di elettroni e distinguiamo batteri: - LITOTROFI che usano come fonte di elettroni composi inorganici ridot - ORGANOTROFI che usano come fonte di elettroni composti organici I microrganismi fin ora studiati sembrano appartenere , nella grande maggioranza, a DUE CLASSI : - AUTOTROFI FOTOLITOTROFI usano la luce come fonte di energia e la CO2 come fonte di carbonio. Le alghe eucariotiche e i cianobatteri usano l’H2O come donatore di elettroni e rilasciano O2. I solfobateri e i solforodobatteri estraggono gli elettroni da donatori con l’idrogeno, il solfuro di idrogeno e lo zolfo elementare. - ETERTROFI CHEMIORGANOTROFI (protozoi, funghi e patogeni umani) usano i composti organici come fonte di energia. Tutti i microorganismi patogeni sono chemioeterotrofi. Le altre DUE CLASSI NUTRIZIONALI che comprendono meno microorganismi, ma che spesso sono importanti sul piano ecologico sono: - ETEROTROFI FOTOORGANOSTROFI - AUTOTROFI CHEMIOLITOTROFI i cui membri ossidano componenti inorganici ridotti ( come ferro , azoto, zolfo) e ne ricavano energia e elettroni. La fonte di carbonio è la CO2 ma possono ricavare carbonio da altre fonti inorganiche . contribuiscono alla trasformazione chimica degli elementi. Ne fanno parte i batteri nitrificanti. - MIXOTROFI sono sia chemio-lito-autotrofi che eterotrofi e possono alternare questi due processi [guardare schemi dei vari componenti sul materiale didattico lezione6] IL METABOLISMO il metabolismo viene suddiviso in due processi: - Il CATABOLISMO o degradazione di molecole complesse in molecole più piccole - L ANABOLISMO cioè la sintesi si molecole complesse a partire da molecole semplici I microorganismi utilizzano una delle tre fonti disponibili: - I FOTOTROFI utilizzano la luce - I CHEMIORGANOTROFI utilizzano le molecole organiche - I CHEMIOLITOTROFI utilizzano molecole inorganiche I microorganismi differiscono sia per la loro fonte di energia ma anche per gli accettori di elettroni usati dai chemiotrofi. Sono usati 3PRINCIPALI ACCETTORI: - nelle FERMENTAZIONI il substrato energetico è ossidato senza partecipazione dell’accettore di elettroni e questo particolare processo metabolico è chiamato respirazione che può essere suddivisa in

-

RESPIRAZIONE AEROBIA dove l’accettore finale degli elettroni è l’ossigeno RESPIRAZIONE ANAEROBIA dove l’accettore finale deli elettroni è un composto inorganico o anche organico ( come il fumarato) L’accettore di elettroni elle fermentazioni è nello stesso stato di ossidazione perciò si rende disponibile soltanto una limitata quantità di energia. L’accettore dei processi respiratori ha invece un potenziale redox molto più positivo e perciò viene rilasciata una quantità di energia considerevolmente maggiore. La FERMENTAZIONE può anche essere definita come UN PROCESSO CHE PRODUCE ENERGIA IN CUI LE MOLECOLE OPERANO SIA DA ACCETTORI SIA DA DONATORI ; la RESPIRAZIONE è UN PROCESSO CHE PRDUCE ENERGIA in cui L’ACCETTORE è UNA MOLECOLA INORGANICA ( come è l’O2). Conservazione dell’energia nei CHEMIOLITOTROFI La produzione di energia in questi microorganismi può avvenire grazie a diversi processi metabolici, tipo: - RESPIRAZIONE AEROBIA - RESPIRAZIONE ANAEROBIA - FERMENTAZIONE La respirazione aerobia comprende tutto una scaletta di processi metabolici che portano alla scissione del glucosio. Ne fanno parte la Glicolisi , il ciclo di Crebs e la catena di trasporto degli elettroni e forsforilazione ossidativa. Nella respirazione anaerobia gli accettori principali di elettroni sono il NITRATO, lo ZOLFO e la CO2 ma possono anche essere ridotti dei metalli. Alcuni batteri possono utilizzare IL NITRATO come accettore e questo processo è chiamato riduzione disassimilativa del nitrato. Il NITRATO viene ridotta a NITRITO dalla NITARTO REDUTTASI ( ma la reazione non fornisce molta energia). Il nitrito viene ulteriormente RIDOTTO a AZOTO MOLECOLARE in un processo che prende il nome di denitrificazione . In Alcuni organismi la denitrificazione è utilizzata come percorso alternativo alla respirazione aerobia e quindi sono chiamati aerobi facoltativi . Altro organismi , ANAEROBI OBBLIGATI, utilizzano la CO2 o il carbonato come accettore finale degli elettroni e passano sotto il nome di metanogeni in quanto riducono la CO2 in metano. Anche il solfato può agire come accettore finale di elettroni . qui il SOLFATO è RIDOTTO A SOLFURO. La respirazione anaerobia non è efficiente nella sintesi di ATP e la resa più bassa è dovuta dal fatto che questi accettori hanno dei potenziali redox meno positivi. Tuttavia la respirazione anaerobia è utile e più efficiente delle fermentazioni e consente la sintesi di ATP mediante il trasporto degli elettroni. In assenza di respirazione aerobia o anaerobia, il NADH non è ossidato dalla catena di trasporto a tuttavia il NADH , prodotto dalla glicolisi, deve essere riossidato per evitare un blocco del metabolismo. Molti microorganismi risolvono il problema rallentando o bloccando l’attività della glicolisi e UTILIZZANDO IL PIRUVATO COME ACCETTORE DI ELETTRONI. Questa deviazione ci permette la riossidazione del NADH. Esistono molte tipologie di fermentazioni ma due aspetti unificanti sono che: - Il NADH viene ossidato a NAD+ - L’accettore è il PIRUVATO o un suo derivato Nella fermentazione alcolica il piruvato è decarbossilato ad acetaldeide che viene quindi ridotta ad etanolo dall’alcol deidrogenasi con il NADH come donatore di elettroni. Nella fermentazione latca vi è la riduzione del piruvato in lattato. I FERMENTATORI LATTICI possono essere divisi in due gruppi: - fermentatori omolatci riducono direttamente tutto il piruvato in lattato - Fermentatori eterolatci producono una notevole quantità di prodotti differenti come l’acido lattico, etanolo, CO2.

Molti altri batteri, come le enterobatterriacee, possono metabolizzare l’acido piruvico ad ACIDO FORMICO e altri prodotti e questo processo è detto fermentazione formica. L’acido formico può essere convertito in H2 e CO2 dalla formico deidrogenasi. Esistono due tipi di fermentazione formina: - Fermentazione acida mista con produzione di etanolo e una miscela di acidi - fermentazione butandiolica ( entorobatteriacee) in cui il piruvato è convertito in acetonio e poi con il NADH in 1,3-butandiolo. Esistono due tipologie di test per verificare la presenza di una delle due classi precedenti: - test di Voges-Proskauer è un processo colorimetrico che rivela il precursore acetonio del butandiolo. Il test risulta positivo inpresenza di fermentatori butandioloci - test rosso metile . i fermentatori acidi misti producono una quantità di acidi quattro cole maggiore e il test del rosso metile risolta positivo solo per la fermentazione mista in quanto il pH scende sotto a4 - si può po...