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MICROBIOLOGIA - BIOTECNOLOGIEDIFFERENZE TRA CELLULA EUCARIOTE E PROCARIOTE.Cellula EucarioticaSono le cellule dei funghi, degli animali e delle piante. Sono generalmente di dimensioni molto maggiori rispetto a quelle procariotiche. Le cellule eucariotiche ospitano il loro DNA in un nucleo rivestito ...

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MICROBIOLOGIA - BIOTECNOLOGIE DIFFERENZE TRA CELLULA EUCARIOTE E PROCARIOTE. Cellula Eucariotica Sono le cellule dei funghi, degli animali e delle piante. Sono generalmente di dimensioni molto maggiori rispetto a quelle procariotiche. Le cellule eucariotiche ospitano il loro DNA in un nucleo rivestito da membrana: replicazione, trascrizione e traduzione sono processi compartimentalizzati (i primi due avvengono nel nucleo, la traduzione nel citosol). Un’altra cosa che contraddistingue una cellula eucariotica da quella procariotica è la presenza di organuli circondati da membrana. Nucleo à È l'organulo di dimensioni maggiori, è delimitato da una membrana, ha forma e dimensioni variabili secondo il tipo cellulare. Contiene il DNA; nel nucleo si svolge la duplicazione e la trascrizione. Mitocondri à Sono la centrale energetica della cellula. In questi organuli carboidrati, acidi grassi e amminoacidi convergono tutti (eccetto alcuni amminoacidi) in un intermedio comune, l’acetil-CoA, che entra nel ciclo di Krebs (ciclo anfibolico, il cui scopo non è solamente la produzione di energia). Il mitocondrio è la sede di sintesi di ATP, attraverso la fosforilazione ossidativa. Reticolo endoplasmatico e Apparato del Golgi Qui le proteine sono assemblate e vengono indirizzate verso le proprie destinazioni nella cellula. Lisosomi e Vacuoli Qui le molecole più grandi vengono idrolizzate fino ad ottenere dei monomeri utilizzabili. Cloroplasti Si svolge la fotosintesi. Le membrane che circondano ogni organulo hanno due compiti: - separare le molecole contenute negli organuli dalle molecole presenti nella cellula - regolare il passaggio delle molecole, permettendo cosi alle materie prime di entrare negli organuli e alle sostanze sintetizzate di essere liberate nel citoplasma Gli eucarioti sono gli organismi viventi formati da cellule più evolute rispetto a quelle procariote e che possiedono un nucleo racchiuso da una membrana nucleare. Pur essendo diverse nella forma e nelle dimensioni, tutte le cellule eucariote sono costituite fondamentalmente dalle stesse parti: la membrana cellulare, il citoplasma, nel quale troviamo alcuni organuli che svolgono diverse funzioni vitali, e il nucleo. Gli organuli più evidenti sono i mitocondri (che producono energia), il reticolo endoplasmatico liscio (che assembla i lipidi) e quello rugoso (che assembla le proteine). Vi sono poi altri elementi importanti come l’apparato del Golgi, che prepara le sostanze di scarto, e i lisosomi, serbatoi di enzimi con varie funzioni metaboliche. Il materiale genetico della cellula è confinato nel nucleo, separato dal citoplasma dalla membrana nucleare. Cellula Procariotica Riescono a sopravvivere anche nelle condizioni ambientali più difficili. Hanno delle dimensioni più piccole (nell’ordine del micron) rispetto a quelle eucariotiche. La cellula procariotica costituisce l’intero organismo (unicellulare). I procarioti (dal greco pròtos = primo e kàrion = nucleo, cioè “nucleo primitivo”) sono organismi unicellulari dalla struttura cellulare primitiva e dal funzionamento vitale semplificato rispetto agli altri esseri viventi. I Domini caratterizzati da cellule procariote sono: Bacteria (eubatteri) e Archea (archeobatteri). - la membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare, regolando il passaggio di sostanze e mantenendola separata dall'ambiente circostante - nel nucloide è contenuto il materiale genetico cellulare (DNA). Nel citoplasma è contenuto: - citosol: composto da acqua; sono presenti ioni in soluzione, si trovano enzimi sospesi e gli organuli cellulari. Qua avvengono delle reazioni di glicolisi e di fermentazione. - ribosomi: avviene la sintesi proteica. I batteri si classificano in base alle loro caratteristiche morfologiche, al metabolismo, alle proprietà immunologiche, etc.

Diverse morfologie 1.

COCCHI: per cocchi s’intende dire che la forma del batterio è SFERICA. Spesso non vivono da soli ma formano degli AGGREGATI: • streptococchi: crescono a catenelle • stafilococchi: crescono a grappoli • sarcine • tetradi • diplococchi

2.

BACILLI: famiglia di batteri con una forma allungata, tipo a bastoncello, es. lactobacilli. I bacilli possono avere anche forma FUSIFORME. SPIRILLO SPIROCHETA FORMA FILAMENTOSA FORMA GEMMANTE PEDUNCOLATA: IFA O STELO VIBRIONI: hanno forma a virgola, es. colera BACILLI FUSIFORMI

3. 4. 5. 6. 7. 8.

Membrana citoplasmatica: La membrana cellulare si trova tra la parete e il citoplasma ed è molto simile a quella delle cellule eucariotiche. Barriera dotata di permeabilità selettiva, forma un confine fisico della cellula, permette il trasporto dei nutrienti e dei prodotti di rifiuto. È la sede di molti processi metabolici (respirazione, fotosintesi, etc.). Permette la rilevazione degli stimoli ambientali per la chemiotassi (fenomeno con cui i corpi cellulari, batteri ed altri organismi uni- o multicellulari direzionano i loro movimenti a seconda della presenza di alcune sostanze chimiche nel loro ambiente). Qual è la differenza della membrana citoplasmatica batterica con quella delle cellule eucariotiche? La differenza sta negli steroli. Nelle cellule eucariotiche lo sterolo presente è il colesterolo, importantissimo per il mantenimento della fluidità di membrana a seconda delle temperature. Nelle membrane batteriche, il colesterolo è sostituito dagli opanoidi. Quali proteine troviamo a livello della membrana? Ad esempio, tutti gli enzimi che sono preposti alla respirazione cellulare. Le cellule batteriche, a differenza delle cellule eucariotiche che presentano mitocondrio, presentano questi enzimi nel foglietto interno della membrana citoplasmatica. Le cariche negative delle proteine possono formare interazioni con cationi bivalenti i con cationi come il magnesio e il calcio. Ciò ci fa capire che la maggior parte di queste proteine hanno una carica negativa.

Lipidi di membrana: È costituita da un doppio strato di fosfolipidi (glicerofosfolipidi/sfingolipidi), molecole anfipatiche, che presentano una porzione apolare rivolta verso l’interno del doppio strato e una porzione polare, solitamente costituita da un fosfato e un gruppo amminoalcolico, rivolta verso l’ambiente esterno e il citosol. I lipidi di mebrana degli archea: I lipidi di membrana degli Archea sono formati da catene di idrocarburi (unità ripetute di isoprene) legati al glicerolo da legami etere. Possono essere sia dieteri che tetraeteri. Questi ultimi formano un monostrato lipidico, che comunque mantiene le superfici idrofile e il core idrofobico. Modello a mosaico fluido: Il modello a mosaico fluido è costituito da un doppio strato lipidico continuo con proteine disperse nella matrice. Le interazioni idrofobiche lipidi-proteine svolgono un ruolo importante nell’assemblaggio di tutta la struttura. Le proteine integrali grazie alla loro natura amplificata si espandono lateralmente per tutto lo strato fosfolipidico senza mai roteare o scavalcare posizioni. Le proteine di membrana: Proteine integrali di membrana: Penetrano nella membrana, possono attraversarla più volte e sono costituite da regioni polari (esterno) e non polari (interno). Sono unite ai lipidi con legami idrofobici. Proteine associate alla membrana: Presenti sia sullo strato esterno (verso l’ambiente) che su quello interno (verso il citoplasma). Interagiscono con la superficie della membrana mediante legami elettrostatici con le teste polari dei fosfolipidi.

Barriera di permeabilità e trasporto: La membrana separa il citoplasma dall’ambiente esterno e quindi fa da barriera alla diffusione passiva delle molecole dall’esterno all’interno (per i nutrienti) e viceversa (per i prodotti di rifiuto). Sebbene alcune piccole molecole idrofobiche possano passare attraverso la membrana per diffusione, le molecole polari e cariche non diffondono liberamente attraverso essa, ma devono essere trasportate. Una sostanze che invece può diffondere liberamente la membrana in entrambe le direzioni è l’acqua, pur essendo polare, è così piccola da poter attraversale il doppio strato fosfolipidico; è anche agevolata da canali specifici, le “acquaporine”. Le proteine di trasporto: Il trasporto di sostanze attraverso la membrana è garantito da proteine di trasporto che sono: • Altamente specifiche per singole molecole o classi di molecole • Saturabili, quando la concentrazione di soluto è alta • Di sintesi regolata secondo le necessità della cellula Sistemi di trasporto: Esistono almeno tre classi di sistemi di trasporto della membrana: trasporto semplice, traslocazione di gruppo e sistema ABC. La prima classe coinvolge soltanto componenti che attraversano lo spessore della membrana; la seconda classe si avvale di proteine di legame a localizzazione periplasmatica in aggiunta ai componenti di membrana; il sistema ABC coinvolge una proteina di legame del substrato, un trasportatore di membrana e una proteina per l'idrolisi del'ATP. Tutti i sistemi sopra descritti richiedono, comunque, energia nella forma sia di forza proton-motrice, ATP, sia di altri composti ad alta energia. Dal punto di vista strutturale, questi trasportatori formano 12 α eliche che procedono avanti e indietro nello spessore della membrana per formare un canale attraverso il quale le sostanze trasportate sono portate all'interno della cellula. Gli eventi di trasporto implicano dei cambiamenti conformazionali nelle proteine dovuti al legame con il substrato specifico, grazie ai quali il composto è veicolato attraverso la membrana. Le diverse tipologie di trasporto sono: sistemi proteici uniporto trasportano una sostanza unidirezionalmente (sia verso l’interno che verso l’esterno) da un lato all'altro della membrana; sistemi di tipo simporto sono cotrasportatori, cioè trasportano attraverso la membrana nella stessa direzione una sostanza insieme con un'altra, frequentemente un protone (H+); le proteine di tipo antiporto trasportano una sostanza in una direzione e simultaneamente un'altra nella direzione opposta. 1. Trasporto semplice (sistemi che non richiedono impiego di energia, ma che sfruttano il gradiente di concentrazione delle sostanze, queste infatti si muovono secondo gradiente): Diffusione semplice: detta anche trasporto semplice, è un tipo di passaggio attraverso la membrana cellulare che non richiede l'utilizzo di proteine canale o di proteine carrier. Le sostanze idrofobiche passano con facilità e velocemente attraverso la zona apolare del doppio strato lipidico. Piccole molecole polari come l'acqua passano con più difficoltà. Diffusione facilitata: detta anche trasporto facilitato, è il movimento di molecole attraverso la membrana cellulare tramite particolari proteine integrali di membrana cellulare: canali o proteine carrier. Le molecole polari già relativamente grandi e gli ioni non sono lipofili. Gli ioni generalmente passano attraverso i canali ma non sempre, a volte sfruttano i carrier. Le grosse molecole polari per poter attraversare la membrana sfruttano i carrier. I carrier sono proteine che si aprono e si chiudono da una faccia all'altra della membrana, diffondono da una parte all'altra legando rilasciando la molecola o lo ione. A seconda del gradiente di concentrazione, il trasporto netto di sostanza avverrà in un senso o nell'altro: la diffusione facilitata è quindi sempre un processo passivo, che non richiede cioè un dispendio di energia. Ovviamente il trasporto da una parte all’altra implica una variazione conformazionale del carrier nel momento in cui il lingando si lega à interconversione in forme più o meno affini al ligando. 2. Traslocazione di gruppo: Consiste nel modificare chimicamente la molecola da trasportare, durante l’attraversamento della membrana, in modo tale che rimanga all'interno della cellula. Questo meccanismo avviene attraverso l'utilizzo di proteine leganti e di trasporto. Il sistema di traslocazione di gruppo più studiato è il sistema delle fosfotransferasi (PTS) che è coinvolto nel trasporto degli zuccheri nella cellula, di fatto questo sistema modifica il glucosio che entra nella cellula, il quale viene fosforilato (ad opera di una chinasi, esochinasi) a glucosio-6-fosfato, mediante l'aggiunta di un gruppo fosfato ricavato dopo un processo di defosforilazione del fosfoenolpiruvato. La reazione di idrolisi del PEP, che è un composto ad alto potenziale energetico, è altamente esoergonica, perciò questo processo (in quanto esoergonico) non richiede apporto di energia. Questa reazione non è nient’altro che il primo step della glicolisi.

3. Sistema di trasporto ABC: I sistemi ABC (dall'inglese ATP-binding cassette) sono trasportatori transmembrana che intervengono nel trasporto di una grande quantità di sostanze attraverso le membrane endo ed extra cellulari, inclusi farmaci, prodotti metabolici, lipidi, e steroli. Il sistema ABC coinvolge una proteina di legame del substrato, un trasportatore di membrana e una proteina per l'idrolisi del'ATP. Sono classificate in questo modo in virtù del loro dominio che lega ATP. Sono proteine di con alta affinità per il substrato. I trasportatori ABC utilizzano l'energia dell'idrolisi dell'ATP per trasportare varie sostanze attraverso le membrane cellulari. Il substrato, una volta sequestrato dalla proteina di legame, forma un complesso che agisce con la proteina integrale di membrana e il trasporto avviene grazie all'energia prodotta dall'idrolisi dell'ATP. Anche se i batteri Grampositivi, non possiedono un periplasma, questi sistemi di trasporto sono presenti in molti di questi organismi. Nei microrganismi batterici, pompano vari substrati essenziali come glucidi, vitamine e ioni all'interno della cellula. Negli eucarioti, trasportano principalmente molecole all'esterno della membrana plasmatica o all'interno di organuli endoplasmatici come il reticolo endoplasmatico, mitocondri etc. I composti trasportati includono: • lipidi e steroli • ioni e piccole molecole • farmaci • grandi polipeptidi Tutti i sistemi sopra descritti richiedono, comunque, energia nella forma sia di forza proton-motrice, ATP, sia di altri composti ad alta energia. Parete cellulare: • • • • • •

Struttura rigida che circonda la membrana plasmatica Determina la forma della cellula Protegge la cellula dalla lisi osmotica, conferendo resistenza alla pressione Può contribuire alla patogenicità batterica Solo pochissimi procarioti ne sono privi I batteri si dividono in due gruppi in base al colore che assumono con la colorazione di Gram: i gram-positivi viola, i gram-negativi rosa. La diversa colorazione è dovuta alla diversa struttura della parete.

Il nome Gram deriva dal batteriologo danese Hans Christian Gram che sviluppò questo metodo di colorazione nel 1884. Com’è fatta questa colorazione? Perché alcuni si colorano ed altri no? I batteri in base alla capacità di acquisire il colore si dividono in: 1. GRAM POSITIVI (si colorano). 2. GRAM NEGATIVI (rimangono viola). Questi batteri vengono inizialmente fissati in un vetrino, poi seccati all’aria e passati sopra il becco bunsen che fa sì che si attacchino al vetrino. Una volta fissati viene aggiunto un colorante detto CRYSTAL VIOLET. A seguito di questo colorante si aggiunge un altra soluzione che contiene Iodio, che va a fissare il Crystal violetto alle parete cellulari. Questo passaggio è comunque a tutte le cellule, che fa si che tutte le cellule rimangano viola. A questo punto vi è il passaggio cruciale: si aggiunge un DECOLORANTE, solitamente è una soluzione alcolica. Da qui vediamo che alcune cellule rimangono viola mentre altre perdono completamente il loro colore. Dato che alcune di queste cellule sono diventate trasparenti per far sì che siano visibili al microscopio si aggiunge un altro colorante, la SAFRANINA. Quelle che non hanno perso il colore e quindi risultano VIOLA sono i batteri GRAM +, mentre quelli che hanno acquisito la safranina ed hanno acquisito un colore ROSA sono i GRAM -. Perché i gram positivi si colorano e i gram negativi no? Dipende dalla parete. La parete dei GRAM +, è costituita da uno spesso strato di peptidoglicano. Nei batteri gram negativi è presente uno strato di peptidoglicano, ma è molto più sottile oltre ad essere anche strutturalmente diverso, ecco perché le pareti dei gram – non riescono a trattenere il colore. La parete dei gram negativi → oltre allo strato di peptidoglicani, molto sottile con un diametro che va da 1 a 3 nanometri, la parete di gram negativi è costituita da un ulteriore membrana. Oltre alla membrana periplasmatica (la membrana al di sotto del peptidoglicano) presente all’interno, è inoltre presente un’altra membrana esterna, legata al peptidoglicano con lipoproteine. La membrana esterna ha la tipica struttura delle membrane biologiche: un doppio strato lipidico in cui sono incluse proteine che regolano il passaggio di materiale e che determinano le caratteristiche antigeniche del batterio (antigene). La proteina più abbondante in questa membrana è la lipoproteina di braun, che forma i legami con lo strato di peptidoglicano sottostante. La parete dei gram + → E’ presente solo lo strato del peptidoglicano, che ha dimensioni che vanno dai 20 agli 80 nanometri. La parete cellulare consiste di molti strati di peptidoglicano che formano una struttura spessa e rigida. Inoltre, la struttura contiene altre molecole come gli acidi teicoici, che fanno da ulteriore collante tra gli strati di peptidoglicano e che regola la presenza nella parete cellulare, di molte sostanze nutritive e sali minerali. La parete è molto liscia.

Lo scopo della parete rigida, non è dare la forma ai batteri, ma proteggere la cellula dall’ambiente extracellulare, ad esempio dall’OSMOSI. Una grossa importanza per la sopravvivenza in un ambiente con diverse concentrazioni. Gli antibiotici possono passare attraverso la parete, perché il peptidoglicano presenta piccoli pori attraverso cui le piccole molecole possono passare. Che cos’è il peptidoglicano? Il peptidoglicano è un polimero. Il monomero è costituito da due zuccheri → n-acetilglucosamina (NAG) e n- acetilmuranico (NAM). Ecco perché il peptidoglicano viene anche chiamato MUREINA O MUCOPEPTIDE BATTERICO. L’n-acetilglucosamina e l’n-acetilmuranico, sono tenuti insieme da legami glicosidici beta (1-4). All’N-acetilmuranico si legano 4 amminoacidi. Si viene a formare il LEGAME PEPTIDICO tra il 3° amminoacido di un monomero e il 4° amminoacido del monomero adiacente. Sarà quindi tra la L-LISINA e la D-ALANINA che è il 4 amminoacido dell’altro monomero. Se è un GRAM NEGATIVO sarà l’acido DIAMINOPIMELICO che si lega alla D-ALANINA. Il legame beta-1,4 dei due amminozuccheri può essere scisso dal lisozima. Che cos’è il lisozima? È presente in grandi quantità nella saliva, nelle lacrime ect. È un antibatterico che va a rompere il peptidoglicano in questi batteri. Enzima utilizzato anche in laboratorio. Fu scoperto nel 1922 da Alexander Fleming, studiando il suo muco nasale. Nei gram negativi il legame tra il 3° amminoacido e il 4° è sempre diretto. Nei gram positivi, invece, c’è un ponte di altri amminoacidi, nello specifico di glicine. Chiamato anche PONTE PENTAGLICINICO perché sono 5 glicine messi tra questi due amminoacidi. Nella parete cellulare dei gram+ sono presenti acidi teicoici o lipoteicoici → sono degli acidi che attraversano il peptidoglicano. Quando sono associati alla membrana plasmatica vengono detti acidi lipoteicoici. Sono dei polimeri di alcol (non necessariamente uguali) colaventi. LA FUNZIONE è QUELLA DI LEGARE LE AUTOLISINE DURANTE LA CRESCITA E LA DIVISIONE CELLULARE. Un batterio si moltiplica per scissione per scissione binaria, ma dato che il peptidoglicano è una struttura piuttosto rigida, ciò rende difficile la divisione del batterio in quanto questa parete deve prima allungarsi e poi dividersi in due cellule, per questo motivo entrano in azione le autolisine, degli enzimi che vanno a TAGLIARE il peptidoglicano permettendo che questo si allunghi e si separi. Chi guida queste autolisine? Gli acidi teicoici. Perché ci interessano questi acidi teicoici? Sono antigeni. ANTIGENICO → tutto ciò che va a stimolare il sistema immunitario. Es. interazione ANTIGENE-ANTICORPO, in questo caso gli anticorpi vanno a riconoscere gli ACIDI TEICOICI. In alcuni batteri sono presenti anche gli ACIDI TEICURONICI→ polisaccaridi che contengono l’acido uronico. Non sono presenti in tutti i batteri. Sia ...