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Cellula procariotica:
struttura e funzionalità
Prof. Raffaele Piccolomini
Ordinario di Microbiologia e Microbiologia Clinica
Laboratorio di Microbiologia Clinica
Dipartimento di Scienze Biomediche
Università degli Studi “G. D’Annunzio, - Chieti”
Cellula procariotica vs cellula eucariotica
Cellula = unità basale della vita
Organizzazione della struttura cellulare:
Eucarioti:
Animali
Piante
Funghi
Protozoi
Alghe
Procarioti:
Eubacteria
Archibacteria (no parete cellulare, caratteri simili agli Eucarya)
Cellula procariotica
I batteri (Bacteria) sono:
Procarioti
Unicellulari
Piccole dimensioni (microscopici)
Generalmente più piccoli delle cellule eucariotiche
Assenza di compartimentazioni intracellulari
Assai complessi (funzionalmente), a dispetto delle loro dimensioni
Materiale genetico organizzato in un unico cromosoma
Cellula procariotica vs cellula eucaristica - Dimensioni
Procarioti generalmente più piccoli (e quindi strutturalmente più semplici) degli Eucarioti:
Cellula procariotica: 1 < d < 10 µm
Cellula eucariotica: 10 < d < 100 µm
Dimensioni cellula = 1/k x superficie/volume cellulare
Cellula sferica: d= 2 µm, sup/vol = 3:1
“
“
d= 20 µm, sup/vol = 0.3:1
In presenza di un elevato ratio sup/vol, i nutrienti possono facilmente e rapidamente raggiungere ogni parte della cellula (es.
Procarioti)
La cellula eucariotica richiede, al contrario, una varietà di organelli interni specializzati per assicurare il metabolismo, la sintesi di
energia e gli scambi con l’ambiente esterno
Cellula procariotica - Morfologia
La maggior parte dei batteri si presenta sotto forma di:
Cocchi (d = 0.5-1 µm)
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)
Cellula procariotica - Morfologia
Bacilli (0.5-1 µm x 1-4 µm):
Allungati, con estremità arrotondate
Si dividono in un piano producendo:
Bacillo (singolo)
Streptobacillo (catena di bacilli)
Cocco-bacillo (ovalare, simile ad un cocco)
Cellula procariotica- Morfologia
Spirale (1 - >100 µm):
Vibrione (ricurvo, a virgola)
Spirillo (ispessito, spirale rigida)
Spirocheta (sottile, spirale flessibile)
Cellula procariotica vs cellula eucaristica - Corpo nucleare
Eucarioti:
Procarioti:
Membrana nucleare dotata di pori che la collegano al reticolo
endoplasmico
Il corpo nucleare è chiamato nucleo
una o più paia di cromosomi lineari (DNA + istoni)
Nucleolo
No membrana nucleare
Il corpo nucleare è chiamato nucleoide
Generalmente contiene uno (o più) cromosomi circolari
(tranne Borrelia spp.) (DNA + proteine histone-like)
No nucleolo
Cellula procariotica - Nucleoide
Composizione:
cromosoma batterico (cromonema)
Singolo, bicatenario, doppia elica, circolare, superavvolto
Lungo ≈ 1000 µm, contiene ≈ 3500 geni
DNA-topoisomerasi (es. DNA-girasi) necessari per la sua replicazione
elementi genetici extracromosomici
Plasmidi
Piccole dimensioni, DNA non cromosomico, doppia elica, elicoidale, circolare
Elementi trasponibili
Piccole sequenze DNA
Traslocano da una regione all’altra del genoma batterico, all’interno della stessa cellula
Cellula eucariotica
(mouse L-cell)
Cellula procariotica
(Bacillus megaterium)
Cellula procariotica - Nucleoide
Funzioni:
Cromosoma batterico
DNA determina quali proteine ed enzimi è in grado di sintetizzare l’elemento cellulare e, quindi, quali reazioni chimiche è in grado di
svolgere
Plasmidi, trasposoni
Veicolano sequenze geniche non presenti sul cromosoma, codificanti per differenti prodotti (batteriocine, adesine, siderofori, pili,
determinanti antibiotico-R, etc
Cellula procariotica vs cellula eucariotica - Strutture citoplasmatiche
Eucarioti:
Ribosomi 80S
(60S + 40S)
Organuli associati alla membrana interna (mitocondri, app.
Golgi, reticolo endoplasmatico, vacuoli, lisosomi)
Cloroplasti (fotosintesi)
Citoscheletro
Procarioti:
Ribosomi 70S(50S + 30S)
No organuli associati a membrana
Granuli (inclusioni) con funzione di riserva nutrizionale:
Glicogeno (poli-betaidrossibutirrato)
Polifosfati (granuli metacromatici o di volutina)
Cellula procariotica - Ribosomi
Generalmente, una cellula batterica può contenere fino a 15.000 ribosomi
Composizione:
Densità 70S (50S + 30S)
30S = 21 proteine + RNA16S
50S= 34 proteine+RNA 5S e 23S
RNA-ribosomiale
Proteine
Funzione:
Sede della sintesi proteica
Traduzione di m-RNA
Cellula procariotica - Citoplasma
Composizione:
H2O (80%)
Acidi nucleici (DNA, RNA)
Enzimi
Aminoacidi
Carboidrati
Lipidi
Ioni organici
Composti a basso peso molecolare
La frazione liquida del citoplasma è chiamatacitosol
Cellula eucariotica (mouse L-cell)
citosol
Cellula procariotica (Bacillus megaterium)
Cellula procariotica - Membrana citoplasmatica
Composizione:
Tipica membrana biologica:
Natura fosfolipoproteica (40% lipidi, 60% proteine)
Doppio strato fosfolipidico attraversato da proteine
Il doppio strato fosfolipidico è disposto in modo da
orientare le terminazioni polari verso la fase citoplasmatica
ed extracellulare; quelle non polari verso il centro della
membrana
No steroli (ad eccezione dei Micoplasmi). Presenza di
molecole steroli-simili (opanoidi) ad azione stabilizzante la
frazione,lipidica
Cellula procariotica -Membrana citoplasmatica
Funzioni:
Regolazione selettiva degli scambi da- e per l’ambiente extracellulare:
Trasporto passivo:
Diffusione semplice
Osmosi
Trasporto attivo:
mediato da carrier proteici
traslocazione di gruppo
Produzione di energia (ATP)
Sintesi di peptidoglicano
Sintesi di fosfolipidi
Contiene le basi flagellari
Eliminazione dei rifiuti metabolici
Formazione di endospore
Cellula procariotica vs cellula eucariotica - Parete cellulare
Eucarioti:
Procarioti:
Piante, alghe e funghi
Eubacteria
Animali, protozoi
Archibacteria
parete cellulare (cellulosa, chitina)
No parete cellulare
parete cellulare composta da peptidoglicano
Proteina, carboidrato complesso (simili a peptidoglicano)
Cellula procariotica - Parete cellulare
I batteri, o Eubacteria, presentano una parete cellulare contenente un complesso polimerico
caratteristico chiamato peptidoglicano (mureina)
Parete cellulare Gram-positivi vs Gram-negativi
Gram +: parete cellulare ispessita (200-800 A)
Gram –: parete cellulare sottile (30-50 A), spazio perplasmico, membrana esterna
Gram-Positivi
Peptidoglicano
Membrana
plasmatica
Gram-Negativi
Peptidoglicano
Membrana
Periplasma
Membrana esterna
Gram positive
bacteria
Gram negative
bacteria
Parete cellulare - Peptidoglicano
Parete cellulare - Gram-positivi
Gram-Negative Peptidoglycan (Direct Interbridge)
Glycan Backbone
G
M
G
Peptides
G
M
G
Escherichia coli Peptidoglycan
Parete cellulare – peptidoglicano Struttura polimerica
Parete cellulare - Funzioni
Forma cellulare
Previene lisi osmotica cellulare
Innesca difese dell’immunità innata (infiammazione, febbre, fagocitosi)
Proteine di superficie agiscono come:
Adesine
Invasine
Enzimi
Attività antifagocitaria
Gram+
Attivazione Complemento (via alternativa)
Fissazione notevoli quantità di cationi (Mg++)
Tolleranza a sali biliari e NaCl
Gramla natura semipermeabile previene l’ingresso di sostanze tox
Involucri esterni Gram-positivi
Acidi teicoici (ac. teicuronici)
Esclusivi dei Gram+
Glicerolo+fosfato+ribitolo
Ac. lipoteicoici (funzione di ancoraggio)
Str. pyogenes, associata a proteina M con
funzione adesiva
Involucri esterni Gram-negativi
Lipopolisaccaride (LPS)
LPS consiste di tre porzioni: lipidica, corta catena
di zuccheri (core), lunga catena polisaccaridica
Lipide A (glicolipide) rappresenta l’endotossina
Core: costante in differenti specie, acido
chetodeossioctono + eptoso
catena laterale O: antigenicità (antigene O),
2+
affinità per Mg
Lipopolisaccaride (LPS) Caratteristiche
LPS (cont’d)
Funzioni:
Tossica; morte in topi, maiali, uomo
Prodotto soltanto dai GramEndotossina o Pirogeno
Endo- parte del batterio
(Eso – secreto nell’ambiente)
Induce piressia (febbre)
Struttura
Lipide A
Polisaccaride
Setticemia da Gram-; morte causata da LPS
Pirogeno; causa febbre
Adiuvante; stimola l’immunità
Termo-resistente; difficile da rimuovere
Rivelazione:
Conigli (intensità febbre)
Horse shoe crab (lisi di Amebociti in presenza di LPS)
Antigene O di E. coli, Salmonella spp.
2,000 differenti O Ags of Salmonella
100’s differenti O Ags of E. coli
E. coli O157
Aspetto colonie:
Mucoide = lisce (abbondante LPS o capsula)
Secco = Rugoso (scarso LPS o capsula)
Involucri esterni -
Gram-negativi
Membrana esterna
Doppio strato lipidico (7 nm):
Fosfolipidi
Lipoproteine
Lipopolisaccaridi (LPS)
Proteine
Porine
Spazio periplasmatico
Materiale gelatinoso contenente enzimi per digestione e diffusione transmembrana dei nutrienti; enzimi
detossificanti
Strutture extra-parietali
Glicocalice:
Capsula
Polisaccaridica
Accumulo di materiale gelatinoso adeso alla parete cellulare
Polisaccaridica, proteica
Glicocalice non organizzato
Fortemente adeso alla parete cellulare
Strutture extra-parietali
Glicocalice
Antifagocitaria
Colonizzazione superfici inerti (biofilm)
Materiale biomedicale
protesi
lenti a contatto
cateteri
Superfici ambientali
Rocce
Serbatoi di raccolta
Tubazioni
Slime
Funzioni:
Strutture extra-parietali
Flagelli
Monotrica
Singolo flagello polare
Anfitrica
Un flagello a ciascun polo
Lofotrica
Due o più flagelli ad uno od entrambi i poli
Peritrica
Numerosi flagelli distribuiti sull’intera superficie cellulare
Composizione:
Filamento
Struttura rigida, elicoidale
Uncino
flagellina
Struttura flessibile
Interposta tra filamento e corpo basale
Corpo basale
Struttura bastoncellare dotata di anelli
Conferisce movimento rotatorio al flagello
Filamento assiale (Spirochete)
Flagello interno
Organizzazione:
Strutture extra-parietali
Flagelli
Funzioni:
Locomozione
Canale protonico (MotA, MotB) attraverso membrana citoplasmatica
Motilità regolata da un gradiente pH
Tipologia di motilità:
Rotazione antioraria: swimming
Rotazione oraria: tumbling
Taxis (tassi)
Movimento in risposta ad uno stimolo
Chemiotassi (chimico)
Fototassi (luminoso)
Osmotassi (pressione osmotica)
Erotassi (ossigeno)
Termotassi (termico)
Strutture extra-parietali
Pili (fimbriae)
Composizione:
Presenti solo nei Gram-negativi
Sottili tubi proteici originati dalla membrana citoplasmatica
Rivestimento proteico (pilina)
Tipologia:
Pili di adesione
Pili coniugativi (pili F)
Funzioni:
Pili di adesione
Colonizzazione superfici inerti
Elusione risposta immune
(modificazione struttura pili)
Pili coniugativi (pili F)
Ricombinazione genica
(coniugazione)