Batteriologia generale:

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Batteriologia generale: Struttura e funzione della cellula batterica I anno - Laurea Magistrale in Farmacia Jean-Denis Docquier Laboratorio di Fisiologia e Biotecnologia dei Microrganismi Dipartimento
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Batteriologia generale: Struttura e funzione della cellula batterica I anno - Laurea Magistrale in Farmacia Jean-Denis Docquier Laboratorio di Fisiologia e Biotecnologia dei Microrganismi Dipartimento di Biotecnologie Policlinico Le Scotte , Viale Bracci, II piano, V lotto Tel Microbiologia Batteriologia Virologia Micologia Batteriologia generale Libro di riferimento: Brock Biology of Microorganisms Madigan, Martinko & Parker (Ed. Prenctice Hall) Capitoli 2, 3 e 4 Batteriologia Interesse dei batteri per la Chimica Farmaceutica: Batteri patogeni come bersaglio di farmaci (farmaci antibatterici) Batteri come strumento di lavoro (produzione e controllo di farmaci, altre applicazioni biotecnologiche) La cellula batterica Cellula = unità di base della vita Batteri = organismi di piccole dimensioni (~1 μm) Organizzazione cellulare procariotica Organismi unicellulari Assenza di compartimentazioni intracellulari Organizzazione della cellula batterica Cellula batterica Cellula eucariotica Organizzazione della cellula batterica Alcune differenze con gli eucarioti: Procariota Eucariota Nucleo assente presente Materiale genetico Dimensione genoma (bp) Orgunali citoplasmatici 1 cromosoma circolare (con eccezioni) cromosomi lineari 5 x x ,5 x x 10 9 solo ribosomi presenti Citoscheletro assente presente Dimensioni della cellula batterica Generalmente comprese fra 1-10 μm (inferiori a cellula eucariotica) Morfologia della cellula batterica Forma regolare della cellula dovuta alla presenza della PARETE CELLULARE rigida (eccezione, micoplasmi) Cocchi Cocchi (d = m) Sferici od ovoidali aventi uno o differenti organizzazioni basate sui piani di divisione cellulare: Divisione in un piano: Diplococchi (paia di cocchi), Streptococchi (catenella di cocchi) Divisione su due piani: Tetradi (4 cocchi disposti a quadrato) Divisione su tre piani: Sarcina (8 cocchi disposti a cubo) Divisione su piani casuali: Stafilococchi (ammassi irregolari) Bacilli (0.5-1 m x 1-4 m): Bacilli Allungati, con estremità arrotondate Si dividono in un piano producendo: Bacillo (singolo) Streptobacillo (catena di bacilli) Cocco-bacillo (ovalare, simile ad un cocco) Spirale Spirale (1 - 100 m): Vibrione (ricurvo, a virgola) Spirillo (ispessito, spirale rigida) Spirocheta (sottile, spirale flessibile) Composizione della cellula procariotica cfr. Capitolo 3 per nozioni di base (importanza dell'acqua, legami idrogeno, aminoacidi, proteine, basi DNA) Componenti essenziali della cellula batterica Membrana citoplasmatica Citoplasma Cromosoma Parete cellulare La membrana citoplasmatica Barriera idrofobica altamente selettiva che trattiene proteine e soluti nel citoplasma La membrana citoplasmatica Struttura trilaminare tipica delle membrane biologiche Composizione della membrana citoplasmatica Sono presenti varie proteine di membrana (integrali e non) Gli opanoidi rinforzano la membrana (struttura piana rigida) Fosfolipidi Opanoidi Proteine Diploptene Funzioni della membrana citoplasmatica Funzioni della membrana citoplasmatica Svolgono varie funzioni: Proteine di membrana Trasporto (ioni, nutrienti) Enzimi per la replica del cromosoma Enzimi per il metabolismo energetico Sistemi di secrezione delle proteine Sintesi della parete cellulare Sensori per parametri ambientali Proteine di membrana: trasporto Diffusione passiva attraverso la membrana molto lenta La presenza di permeasi accelera la diffusione di soluti (ioni, zuccheri) Proteine di membrana: trasporto Proteine di membrana: trasporto Sistemi di trasduzione del segnale Segnale ambientale Due componenti: Sensore e regolatore Sensore (kinasi) ATP P Ambiente esterno Citoplasma P Membrana plasmatica P RNA polimerasi Regolatore della risposta Sequenza regolativa Promotore Gene Attivazione o repressione dell espressione genica Funzioni della membrana citoplasmatica Forma di conservazione dell'energia generata dal metabolsimo Polarizzazione della membrana ATP sintasi e sintesi di ATP Componenti essenziali della cellula batterica Membrana citoplasmatica Citoplasma Cromosoma Parete cellulare Composizione del citoplasma Contiene: cromosoma/i sistemi enzimatici ribosomi 70S Può contenere: plasmidi (elementi genetici accessori) granuli di materiale da accumulo glicogeno polifosfati Non contiene: mitocondri, lisosomi, reticolo endoplasmico, app. Golgi Componenti essenziali della cellula batterica Membrana citoplasmatica Citoplasma Cromosoma Parete cellulare Il cromosoma batterico Localizzazione preferenziale in alcune zone della cellula (nucleoide) Il cromosoma batterico Porta il corredo genico essenziale per la cellula Costituito da DNA bicatenario Struttura: - circolare (nella maggior parte dei casi) - lineare (es. borrelie, Streptomyces) Generalmente unico eccezioni: - leptospire, brucelle, vibrioni (2 cromosomi circolari) - Agrobacterium (1 cromosoma circolare e 1 lineare) Condizioni di ploidia: APLOIDIA Dimensioni: 0,5-8 milioni di coppie di nucleotidi Il cromosoma batterico Le DIVERSE DIMENSIONI del genoma nelle varie specie batteriche riflettono DIVERSE ESIGENZE ADATTATIVE Specie genoma (Mb) n geni habitat Escherichia coli 4, intestino mammiferi ambiente Haemophilus influenzae 1, mucosa respiratoria umana Mycoplasma pneumoniae 0, mucosa respiratoria umana, privo di parete Il cromosoma batterico Il cromosoma batterico Proteine Dominio di superspiralizzazione Enzimi che intervengono nella superspiralizzazione/ despiralizzazione: DNA TOPOISOMERASI Altri acidi nucleici importanti (a) mrna (b) rrna (ribosomes) (c) trna Componenti essenziali della cellula batterica Membrana citoplasmatica Citoplasma Cromosoma Parete cellulare Organizzazione della parete batterica Diversa per Gram positivi e Gram negativi Organizzazione della parete batterica Più strati di un POLIMERO RIGIDO detto PEPTIDOGLICANO Citoplasma Membrana plasmatica Batteri Gram-positivi Struttura membranacea Detta MEMBRANA ESTERNA Uno (o pochi) strato(i) di PEPTIDOGLICANO Citoplasma Membrana plasmatica Batteri Gram-negativi Gram positivi Gram negativi Gram positivi Gram negativi La colorazione di Gram ( ) La colorazione di Gram Bacillus anthracis in un campione di fluido cerebrospinale La colorazione di Gram Escherichia coli La colorazione di Gram Il peptidoglicano Componente costante della parete batterica Polimero che conferisce rigidità alla parete (funzione essenziale per la elevata pressione osmotica presente nel citoplasma batterico) Struttura esclusivamente presente nei Batteri (importante bersaglio per farmaci antibatterici, es. penicilline) Struttura del peptidoglicano legame sensibile al lisozima zuccheri acetilati alternati presenza di aminoacidi non convenzionali Importanza del peptidoglicano Struttura del peptidoglicano I legami incrociati conferiscono rigidità al polimero Struttura del peptidoglicano Natura e diversità dei legami incrociati La parete cellulare dei Gram + Acidi teicoici: conferiscono carica negativa alla cellula tolleranza ai sali biliari attivazione complemento Proteine ancorate: adesione La parete cellulare dei Gram + Le proteine di parete possono formare strutture fibrillari che sporgono dalla parete verso l esterno e possono servire per l ancoraggio delle cellule batteriche a strutture esterne Proteina M Struttura della parete degli streptococchi Polisaccaride C Peptidoglicano Membrana plasmatica La parete cellulare dei Gram - LPS Altre proteine ( OMPs ) Ingresso nutrienti e altre molecole Ancoraggio membrana esterna Lipopolisaccaride (LPS) Ruolo strutturale ma anche importante fattore di TOSSICITÀ per la maggior parte degli animali (ENDOTOSSINA) Parte altamente variabile Parte conservata Caratterizzato dalla presenza di: ketodeossi-ottonato e zuccheri a 7 C Le porine Porine: proteine che formano canali trans-membranari permeabili ad acqua, ioni, piccole molecole idrofile Componenti accessori della cellula batterica Strutture superficiali o localizzate internamente Capsula Fimbrie (pili) Flagelli Plasmidi La capsula batterica Strato di MATERIALE GELATINOSO (fortemente idratato) presente all esterno della parete batterica Struttura organizzata e difficile da rimuovere Evidenziabile al MICROSCOPIO OTTICO mediante COLORAZIONE NEGATIVA con inchiostro di china La capsula batterica La capsula batterica Costituite generalmente da POLISACCARIDI (omo- o etero-polisaccaridi) Talvolta di natura proteica (es. Bacillus anthracis) Carica elettrica negativa Funzione: PROTEZIONE DA FAGOCITOSI La fagocitosi come difesa anti-batterica Batteri penetrati attraverso cute o mucose Fagocita Granulocita neutrofilo Monocita Fagocitosi Fusione con lisosoma killing del batterio Proteasi Lisozima Defensine Mieloperossidasi Azione antifagocitaria della capsula Fagocita Granulocita neutrofilo Monocita Batteri non capsulati Batteri capsulati Fagocitosi e killing I batteri non sono fagocitati, possono sopravvivere e moltiplicarsi nei tessuti Importanza della capsula batterica La capsula può rappresentare una componente importante o essenziale per l infezione Capsula come FATTORE DI VIRULENZA Altre funzioni: Prevenzione dell essicazione Resistenza a composti tossici di natura idrofobica (detergenti) Componenti accessori della cellula batterica Strutture superficiali o localizzate internamente Capsula Fimbrie (pili) Flagelli Plasmidi Fimbrie o pili Strutture filamentose rigide o flessibili che si impiantano sulla parete dei batteri Gram-negativi Diametro: 4-8 nm (visibili solo al microscopio elettronico) Fimbrie o pili I pili sono di natura proteica e generati dalla polimerizzazione di una proteina globulare (Pilina) Proteine accessorie Parete Funzione dei pili Riconoscimento di recettori che si trovano alla superficie delle cellule eucariotiche ADESIVITA BATTERICA Diversi tipi di fimbrie possono condizionare il TROPISMO per epiteli diversi Importanza dei pili colonizzazione batterica di certi distretti Lume intestinale Per mezzo delle fimbrie i batteri aderiscono all epitelio intestinale e non sono rimossi con la peristalsi Nella popolazione batterica esiste un EQUILIBRIO tra BATTERI FIMBRIATI e BATTERI NON FIMBRIATI che è importante per la colonizzazione stabile degli epiteli desquamanti Fimbrie o pili Alcuni batteri per i quali i pili rappresentano un importante fattore di virulenza Neisseria gonorrhoeae (gonococco) Escherichia coli uropatogeno (fimbrie P) Altre funzioni: coinvolto nella coniugazione (scambio di materiale genetico fra batteri) Componenti accessori della cellula batterica Strutture superficiali o localizzate internamente Capsula Fimbrie (pili) Flagelli Plasmidi Flagelli flagelli polari Strutture filamentose elicoidali impiantate sulla parete batterica Diametro 20 nm; Lunghezza qualche mm (più grandi e più lunghi dei pili) flagelli peritrichi Costituiti dalla polimerizzazione di una proteina globulare (flagellina) Flagelli Flagello polare singolo Flagelli peritrichi Flagelli Flagelli e motilità Flagelli e motilità Funzione dei flagelli I flagelli permettono al batterio di spostarsi velocemente, in funzione di parametri ambientali (chemiotassi) Movimento netto Chemotassi Chemotassi Struttura e funzione del flagello Utilizzo della forza proton-motiva Componenti accessori della cellula batterica Strutture superficiali o localizzate internamente Capsula Fimbrie (pili) Flagelli Plasmidi I plasmidi Elementi genetici extra-cromosomici Costituiti da DNA bicatenario circolare (raramente lineare) Si replicano in maniera autonoma dal cromosoma Più piccoli del cromosoma (da poche kbp a kbp) Cromosoma Plasmide (può essere in singola copia o in multicopia) I plasmidi portano DETERMINANTI GENETICI ACCESSORI La loro informazione genetica non è essenziale per la cellula ospite ma può conferire un vantaggio selettivo in particolari condizioni Plasmidi CRIPTICI La loro presenza non è associata ad alcun fenotipo evidente Plasmidi DI RESISTENZA Portano determinanti genetici di RESISTENZA agli antibiotici Plasmidi di VIRULENZA Portano determinanti genetici di VIRULENZA (es. pili) Plasmidi METABOLICI Portano determinanti genetici per VIE METABOLICHE Alcuni plasmidi (detti plasmidi CONIUGATIVI) hanno la capacità di trasferirsi da una cellula batterica all altra attraverso un meccanismo specializzato di scambio genico detto CONIUGAZIONE Cromosoma Plasmide coniugativo Pilo F o Pilo sessuale cellula F+ Proteina della membrana esterna cellula F+ cellula F- La cellula portatrice del plasmide coniugativo (donatore) riconosce una cellula che ne è priva (ricevente) mediante il pilo F Pili F: presenti in numero di 1-10 per cellula, sono spessi 9-10 nm donatore ricevente F + F - Viene trasferito un filamento singolo di DNA del plasmide. Nel ricevente e nel donatore vengono sintetizzati i filamenti complementari F + F + Al termine del processo si hanno due cellule F+, ciascuna contenente il plasmide coniugativo, che possono fungere entrambe da cellule donatrici Caratteristiche dei plasmidi coniugativi: Possibilità di RAPIDA DIFFUSIONE in una popolazione batterica Trasferimento di materiale genetico tra specie anche molto diverse Ruolo molto importante nella DISSEMINAZIONE di DETERMINANTI GENETICI di RESISTENZA e VIRULENZA Cromosoma Non può trasferirsi per coniugazione Plasmide (non coniugativo) Cromosoma pilo F Plasmide (non coniugativo) Plasmide (coniugativo) Solo il plasmide coniugativo si trasferisce Entrambi i plasmidi si trasferiscono (mobilizzazione del plasmide non coniugativo) Solo il plasmide mobilizzabile si trasferisce (mobilizzazione del plasmide non coniugativo) Mobilizzazione plasmidica mediante coniugazione La spora (endospora) batterica forma di resistenza (al calore, agli agenti chimici e fisici) metabolicamente inerte si genera mediante un processo di differenziazione cellulare (sporulazione) innescato da condizioni di carenza nutrizionale può nuovamente dare origine a forme vegetative (germinazione) in presenza di condizioni ambientali favorevoli Formazione delle spore Composizione della spora Composizione della spora Struttura della spora batterica Cortex peptidoglicano scarsamente cross-linkato Esosporio nucleoide condensato, complessato con SASP (small acid-soluble spore proteins) citoplasma parzialmente disidratato presenza abbondante di dipicolinato di calcio Coat proteine specifiche della spora core della spora metabolicamente inerte Struttura della spora batterica Germinazione delle spore Longevità delle spore Spore di Clostridium aceticum del 1947 Cristalli di sale del Permiano (250 millioni di anni)
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