Metabolismo Batterico
Trasformazioni chimiche e chimico-fisiche il cui scopo
finale è la creazione di una nuova cellula
Per tutte le
funzioni
1. energia ATP
2. precursori delle
macromolecole (zuccheri, aa,
acidi grassi)
Funzioni
genetiche
replicazione
trascrizione
DNA
traduzione
RNA
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riproduzione
proteine
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Metabolismo Batterico
Per produrre energia i batteri sfruttano :
1 Energia solare → batteri fotosintetici
2 Energia da sostanze chimiche → batteri
chemiosintetici
Processi di fosforilazione: ADP → ATP
1 fotosintesi
2
-fermentazione (ossidazione parziale del
substrato), - -respirazione aerobia (accettore finale
O2) ed anaerobia (accettore finale nitrati, solfati, CO2)
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Classificazione
Fotoautotrofi (fotosintesi)
C da anidride carbonica
Fotoeterotrofi (energia da luce)
C da composti organici
Chemoautotrofi (energia da ox-red)
C da anidride carbonica
Chemeoeterotrofi (energia da ox-red)
C da composti organici
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SINTESI DEL
PEPTIDOGLICANO
Peptidoglicano
Punto di crescita
della parete cellulare
Membrana citoplasmatica
Esterno
Interno
Pentapeptide
Bactoprenolo
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SINTESI DEL
PEPTIDOGLICANO
Transpeptidazione
D-Ala
D-Ala
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Protoplasti e sferoplasti
La sintesi di parete può essere
inibita (es. lisozima o antibiotici)
Protoplasti
assente
Sferoplasti
assente
parete
parete
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totalmente
parzialmente
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Le sintesi macromolecolari
la replicazione del DNA
Le due catene parentali non si separano
completamente
La polimerizzazione dei nucleosidi trifosfati avviene
per opera della polimerasi
Nei batteri: polimerasi I, II e III.
Polimerasi III più importante
La separazione delle due eliche è catalizzata da
topoisomerasi I e girasi
La
duplicazione
comincia
dal
sito
oriC
(V=40µm/min) ed è semiconservativa
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Cellula 1-1,5 µm; DNA lunghezza 1mm;
Cellula 1mm, DNA 1m
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Le sintesi macromolecolari
la sintesi proteica
Codon di inizio
m-RNA- 30S + t-RNA - f-Met + 50S
Codon terminatore
Sintesi di proteine costitutiva o inducibile.
Regolazione della sintesi proteica
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Limiti dell’esistenza batterica
pH 5-9: maggioranza batteri
Thiobacillus thiooxidans pH 0.5
ox
H2S → acido solforico
E.faecalis, Bacillus circulans pH 10-11
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EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DI
NaCl SULLA CRESCITA
Alotollerante
Velocità
di
crescita
Alofilo
estremo
Alofilo
Esempio:
Esempio:
Staphylococcus
Vibrio fischeri
Esempio:
Halobacterium
salinarum
aureus
Non alofilo
Esempio:
Escherichia
coli
0.9%
7%
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15%
30%
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CONDIZIONI DI CRESCITA
Ossigeno
Anaerobiosi
Co2
Ioni inorganici
Temperatura
pH
NaCl
Esoenzimi
Terreni liquidi/solidi
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Limiti dell’esistenza batterica
Umidità: è condizione favorente
liofilizzazione
Temperatura: 20-45°C mesofili
45-75°C termofili facoltativi
50-75°C termofili obbligati
inibiti a 30°C psicrofili
NO meccanismi di termoregolazione
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Limiti dell’esistenza batterica
Pressione atmosferica: batteri barofili? adattati a
crescere a pressioni elevate (fondali oceanici)
Concentrazione sali: NaCl 0.85% fisiologica
7-8% Stafilococchi
15-25% alofili
Pressione osmotica: pochissimi batteri osmofili crescono
in presenza di pressione osmotica elevata
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Terreni di coltura
solidi
Agar:polisaccaride estratto
da alcune alghe
1-2% gelificazione
> 80°C → liquido
< 45°C → solido
Terreni sintetici
Terreni di base addizionati
con sostanze naturali
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Le colture isolanti
Per disseminazione
sul terreno
Per diluizione nel terreno
(agar-batteri)
Mezzi selettivi di isolamento
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isolamento
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Condizioni di incubazione
Temperatura ottimale
CO2, aerobiosi o anaerobiosi
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Terreni di coltura
liquidi
Stessa composizione dei terreni solidi
(non contiene agar)
Intorbidamento del terreno
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CURVA DI CRESCITA DI UNA
POPOLAZIONE BATTERICA
Fasi della crescita
Latenza
Esponenziale
Stazionaria
Morte
Conta vitale
Torbidità
Densità ottica
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Rappresentazione schematica della divisione di cellule
bastoncellari o coccoidi
I batteri si dividono per scissione binaria
Il tempo di divisione (generazione) della cellula batterica è molto
variabile e dipende dalla specie e dal terreno di coltura
Ad es. E. coli può dividersi ogni 20 min, in una notte oltre
20 generazioni (circa 500 anni per un uomo)
M. tuberculosis ha un tempo di generazione di circa 24 ore
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In un sistema chiuso, la crescita esponenziale non
può continuare per un tempo indefinito. Una
singola cellula batterica con un tempo di
generazione di 20 minuti produrrebbe, se
continuasse a crescere in modo esponenziale per
48 ore, una popolazione il cui peso sarebbe circa
4000 volte il peso della terra, dato particolarmente
impressionante se si considera che il peso di una
singola cellula batterica è circa 10-12 g.
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RIPRODUZIONE PER SCISSIONE SEMPLICE
DNA
Replicazione del DNA
Allungamento della cellula
Formazione del setto
Generazione
cellulare
Completamento del setto con
formazione di pareti distinte
Separazione della cellula
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LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’
Eredità: stabilità e la variabilità nel vasto assortimento
di funzioni fisiologiche che formano le proprietà dei
microorganismi.
Gene: sequenza di DNA che codifica per un prodotto
funzionale o controlla le proprietà di un microorganismo
(caratteristiche biochimiche, di patogenicità, di
resistenza agli antibiotici, ecc.,). I geni sono localizzati
sul cromosoma. Il cromosoma è duplicato prima della
divisione cellulare così le cellule figlie ricevono un
corredo identico di geni.
I geni nel loro insieme costituiscono il genoma e formano
il cosiddetto genotipo.
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LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’
La replicazione del cromosoma è un processo
preciso, molto raramente si hanno errori durante la
sintesi, (mutazioni, cioè variazioni permanenti della
sequenza originale del gene).
Nell’Escherichia coli è oltre 3 miliardi di Daltons
(>4000 Kbp). E’ una doppia elica fatta da due
sequenze complementari di basi puriniche e
pirimidiniche tenute insieme da legami idrogeno (GC) (T-A). Struttura circolare (lunghezza ~ 1mm)
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Mutazioni
Mutazione: modifica permanente della sequenza nucleotidica
di un gene. Gli alleli sono diverse forme di un gene mutato.
Mutageni
Agenti chimici e fisici che aumentano la frequenza di
mutazione.
Fisici: radiazioni, UV, calore
Chimici: diretta reazione col DNA, composti nitrosi,
agenti alchilanti, analoghi delle basi e composti che
richiedono l’attivazione di enzimi cellulari.
Mutazioni indotte: molti agenti chimici causano
mutazione perché aumentano gli errori di appaiamento
tra le due catene di DNA. Altri composti si intercalano
tra le eliche (acridine), creano distacchi e
complementazioni intracatenarie.
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Mutazioni
• Riparazione dei danni: sistema senza errori (error-free) e
sistema con errori (error-prone). Una lesione sul DNA
scatena nella cellula la produzione di enzimi deputati alla
riparazione (sistema SOS). Gli errori sono rimossi da
nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella
complementare ancora intatta (template). Se anche
l’altra catena è danneggiata allora il sistema ripara ma
causa errori.
• Sequenze non senso (UAG, UAA e UGA) sono il segnale
di fine traduzione del mRNA, quando per mutazione si
crea un non senso la traduzione si interrompe in quel
punto.
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RICOMBINAZIONE DEL DNA
Due tipi di ricombinazione
• Generalizzata (mediata dal gene
recA)
•
Specializzata (recA-indipendente)
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TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICO
NEI BATTERI
• CONIUGAZIONE
• mediata da F o altri plasmidi coniugativi
sexduzione
• TRASDUZIONE
• generalizzata o specializzata
• TRASFORMAZIONE
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CONIUGAZIONE
Scambio di materiale genetico mediante
contatto tra due cellule
DONATORE > RICEVENTE
Plasmide F (o altro coniugativo, produce un pilo tipico)
Apparato coniugativo per trasferire se
stesso – spesso ad alta frequenza
Il plasmide F può integrarsi sul
cromosoma >> Hfr*
*High frequency of recombination
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CONIUGAZIONE
F (o simile) codifica per un pilo sessuale che
identifica un recettore (ompA) sulla superficie
esterna del ricevente
molti plasmidi codificano per un repressore che
blocca la formazione del pilo (espresso
temporaneamente)
dopo contatto con il ricevente il pilo si ritrae e le
due cellule sono in comunicazione per via di un
ponte citoplasmatico
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TRASFERIMENTO DI DNA PLASMIDICO PER
CONIUGAZIONE
Cromosoma
plasmide batterico F
Pilo
Cellula F+
Cellula F-
Nella cellula ricevente comincia
la sintesi dell’elica complementare
Il Pilo si ritrae
Coppia di cellule stabilizzata
Il plasmide F è tagliato su un’elica
Compimento del trasferimentodel
DNA e sintesi le cellule si separano
Trasferimento di un’elica di DNA di F
F+
da una cellula F+ a una F-. Il plasmide F
si replica simultaneamente nelle cellule F+
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Cellula F+
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CONIUGAZIONE
• I geni sono trasferiti in ordine fisso
• Esiste un gradiente di trasmissione
• Hfr diversi hanno origine diversa
• Attraverso le frequenze di ricombinazione
circolarità del cromosoma
• Distanze dei geni sul cromosoma (tempo)
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CONIUGAZIONE
F’
Originano da F che nel distacco dal
cromosoma catturano segmenti di DNA
può replicarsi autonomamente
può ricombinarsi nel ricevente
può integrarsi sul cromosoma
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CONIUGAZIONE
Gram-positivi
il donatore forma una proteina sulla superficie
della cellula (adesina) che media l’aggregazione
con le cellule riceventi
le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM
1000) che stimolano la produzione di adesina
fusione di protoplasti
naturale o mediante glicole etilenico
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Trasduzione
E' un meccanismo di scambio di
materiale genetico mediato da batteriofagi
I virus batterici o batteriofagi sono classificati in tre
grossi gruppi:
Virulenti autonomi: infettano le cellule batteriche e si
sviluppano senza richiedere alcuna funzione cellulare (vi
sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la
uccidono).
Virulenti dipendenti: per il loro sviluppo necessitano di
funzioni cellulari e quindi la cellula non muore sino a
che il virus non giunge a maturazione
Temperati: sono virus che solo occasionalmente
uccidono la cellula spesso entrano in simbiosi con essa
come fanno alcuni plasmidi duplicandosi insieme alla
cellula.
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The T4 infectious cycle
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Lysogeny
Temperate phages can convert host to
lysogen
Establishment likely with high level of
infection of bacterial culture, starvation
Stable association of phage DNA with
bacterial cell (prophage)
Normal growth and division of lysogen
Environmental cues may induce lytic
cycle
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TRASDUZIONE generalizzata
Cellula batterica
Ciclo litico
Fago
Cellula trasdotta
Fago
Particella
trasducente
Particella trasducente
(DNA dell’ospite dentro
l’involucro virale)
Cellula
batterica
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Trasduzione
Ricombinazione
genetica con
il DNA dell’ospite
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TRASDUZIONE specializzata
gal
gal
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bio
bio
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TRASFORMAZIONE
•
•
•
•
•
Tre meccanismi distinti
Pneumococchi
legano DNA doppia elica
non specifico
entra un solo filamento
• Haemophilus
• DNA doppia elica specifico
• artificiale
• sferoplasti
• elettroporazione
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TRASFORMAZIONE
Cromosoma
batterico
DNA trasformante
Proteina di legame
al DNA
Proteina
specifica della
competenza
che lega il DNA
a singola elica
Nucleasi
Nucleotidi
liberi
Proteina RecA
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TRANSPOSIZIONE
Sequenza bersaglio
Elemento
Transponibile
inserito
Sequenza bersaglio
duplicata
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Elemento
transponibile
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Specificità d’ospite del DNA
(Enzimi di restrizione modificazione del DNA)
Il materiale genetico (DNA) sintetizzato dai
batteri subisce un processo di metilazione
che è specifico di ogni specie batterica
La modificazione del DNA è come un’
identità del materiale genetico che è
riconosciuto da enzimi (nucleasi) detti di
restrizione, in quanto degradano ogni
DNA che è stato prodotto in altre specie
batteriche (estraneo)
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Specificità d’ospite del DNA
(Enzimi di restrizione e modificazione del DNA)
Ogni volta che una cellula batterica riceve
DNA da altre specie questo è riconosciuto
come estraneo e quindi degradato
L’efficienza di questo meccanismo varia da
specie a specie (0- 1x10-4)
Gli enzimi di restrizioni sono utilizzati in
Biologia Molecolare (ingegneria genetica,
mappe di restrizione ecc)
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