1a lezione cellula batterica - struttura - funzioni

La cellula batterica
Giovanni Di Bonaventura, Ph.D.
Università “G. d‟Annunzio”, Chieti-Pescara
Consiglio (…importante !!!)
Batteri
Dimensioni cellulari
 Dimensioni medie Procarioti: 0.5 - 2.0 µm
 Mycoplasma pneumoniae (0.2 µm)
 Thiomargarita namibiensis (750 µm)
 Dimensioni medie Eucarioti: 2- 200 µm
 Emazia: 7.5 μm
 Rapporto superficie/volume
 Batteri = 12 μm2 / 4 μm3 = 3:1
 Cellula eucariotica = 0.3:1
 La crescita batterica e le dimensioni della
cellula vengono influenzate dal tasso
metabolico = 1/k x (d)2
Le ridotte dimensioni della cellula batterica
consentono una penetrazione più efficiente dei
nutrienti che raggiungono velocemente ogni parte
del batterio. Gli Eucarioti, di contro, necessitano
di strutture ed organelli
Batteri
Principali morfologie cellulari
I batteri presentano elevata variabilità anche
nella forma ed organizzazione:
 Forme (morfologie) cellulari caratteristiche:
– sferica: cocchi (Staphylococcus spp.,
Streptococcus spp.)
– cilindrica: bacilli (Escherichia coli, Pseudomonas
aeruginosa)
• corta e rigonfia: coccobacilli
• ricurva: vibrioni (Vibrio cholerae)
• spirale: spirilli (Spirillum)
– a molla: spirochete (Borrelia, Treponema)
– filamentosa: (Streptomyces)
– variabile: pleomorfi (Bacteroides,
Corynebacterium)
Batteri
Organizzazione cellulare
•
L‟organizzazione cellulare dipende dalla modalità di
divisione e dai rapporti che le cellule figlie mantengono
tra loro dopo la divisione:
– cocchi:
• singoli
• diplococchi: in coppia (Neisseriaceae)
• catene (Streptococcus)
• tetradi (gruppi di 4 cellule)
• sarcina (forma cubica, formata da 8-64 cellule)
• ammassi (clusters) irregolari (Staphylococcus)
– bacilli:
• catene (streptobacilli) (Bacillus anthracis)
• palizzata (Corynebacterium)
Cellula batterica
Organizzazione
L‟organizzazione cellulare dei batteri è quella tipica dei Procarioti
La cellula batterica comprende tipicamente:
 Componenti fondamentali (per la sopravvivenza e la
riproduzione cellulare)
 Componenti accessori (flagelli, pili, capsula, glicocalice,
plasmidi: non sempre presenti, svolgono funzioni accessorie
che, talvolta, possono essere determinanti per la virulenza)
Cellula batterica
•
•
Struttura sottile (spessore 8 nm) che separa il citoplasma
dall‟ambiente
Barriera altamente selettiva (concentra i nutrienti al suo interno
ed espelle all‟esterno le sostanze di rifiuto)
Struttura trilaminare organizzata a “mosaico fluido”,
– doppio strato fosfolipidico con associata od integrata
(transmembrana) una componente proteica
– i fosfolipidi contengono regioni idrofiliche (glicerofosfato) ed
idrofobiche (acidi grassi) mediante le quali si auto-assemblano
– le proteine sono associate alla membrana od integrate in essa
– flessibile (viscosità ~ olio leggero), per movimento dei fosfolipidi
•
Rispetto alla membrana eucariotica, quella procariotica:
– non contiene steroli (es. colesterolo, presenti solo nei Micoplasmi e
nei batteri metanotrofi), sostituiti da opanoidi aventi stessa funzione
di stabilizzazione e compattamento
– è più ricca in proteine
Struttura
Membrana Citoplasmatica
•
Funzioni
Membrana Citoplasmatica

Barriera di permeabilità: regola il trasporto di
nutrienti/prodotti metabolici
•
diffusione semplice (osmosi)
•
diffusione facilitata (secondo gradiente di
concentrazione, senza utilizzo di energia)
•
trasporto attivo (mediato da proteine, contro
gradiente di concentrazione, con utilizzo di energia)

Sito di ancoraggio per proteine coinvolte nel
trasporto, nella chemotassi ed in reazioni
bioenergetiche

Sito di conservazione dell‟energia (produzione ed
utilizzo di forza motrice protonica, durante
respirazione e fotosintesi)

Interviene nella divisione cellulare, segregando i due
cromosomi (mesosomi)

Sede di proteine di sintesi di parete cellulare e di
trasduzione del segnale
Funzioni
Membrana Citoplasmatica
Trasporto passivo
Membrana Citoplasmatica
 Non richiede utilizzo di energia in quanto la sostanza si
muove secondo gradiente di concentrazione (high-to-low)
 La diffusione semplice interessa soltanto piccoli
composti idrofobici (glicerolo) o gas (ossigeno)
 La diffusione facilitata utilizza un canale (aspecifico) od
un carrier (specifico) di natura proteica
Osmosi
Trasporto Passivo
 Quando concentrazioni di soluto sono separate da una
membrana semi-permeabilie, H2O si sposta per creare
soluzioni isotoniche (ad uguale concentrazione di soluto)
 Ipertonico: la concentrazione del soluto in una
soluzione è maggiore della soluzione adiacente
 Ipotonico: la concentrazione del soluto è inferiore a
quella di una soluzione adiacente
Osmosi
Trasporto Passivo
 Cellula in soluzioni ipertoniche: membrana raggrinzita
per fuoriuscita di H2O dalla cellula
 Cellula in soluzioni ipotoniche: membrana tesa per
l‟ingresso di H2O nella cellula
 La parete cellulare dei microrganismi aiuta a preservare
l‟integrità cellulare
a) Transporto semplice
Trasporto Attivo
Il trasporto è mediato da proteine
trasportatrici (carrier) ed avviene contro
gradiente elettrochimico richiedendo,
quindi, utilizzo di energia (ATP)
 Trasporto “uniport”: una sostanza in
una direzione
 Trasporto “antiport”: due sostanze
(una generalmente H+) sono cotrasportate in direzioni opposte
 Trasporto “symport”: due sostanze
sono co-trasportate nella stessa
direzione
b) Traslocazione di gruppo
Trasporto Attivo
 La molecola trasportata viene modificata chimicamente.
Esempio: sistema P-transferasico in E. coli (24 proteine)
 almeno 4 necessarie al trasporto di un carboidrato
(enzima I aspecifico, enzima II specifico)
 fosforilazione a cascata
 utilizzo dell„energia derivante dal fosfoenol-piruvato
c) ABC transporter
Trasporto Attivo
 sistema ABC (ATP-Binding Cassette), composto da tre
proteine: proteina periplasmatica, proteina integrale, ATP-asi
 proteina periplasmatica mobile nel periplasma e dotata di
elevata affinità (fino a 10-6 M) per il substrato
 oltre 200 tipologie di sistemi ABC; specificità per composti
organici (aminoacidi, carboidrati) ed inorganici (solfati e fosfati)
 presente non soltanto nei Gram- ma anche nei batteri Gram+
(PBP ancorato alla membrana citoplasmatica)
 energizzato da ATP
Mesosoma
Membrana Citoplasmatica
 Il mesosoma è una invaginazione della membrana
citoplasmatica di notevoli dimensioni, di forma
irregolare, abbondanti e voluminosi soprattutto nei
batteri Gram+.
 Appaiono come strutture lamellari concentriche in
prossimità del nucleoìde, delle estremità cellulari o
della zona di formazione del setto
 Svolgono importanti funzioni:
 durante la divisione cellulare, danno attacco al DNA
facilitando la separazione dei due cromosomi e la
produzione del setto trasverso (mesosomi settali)
 contengono gran parte dei citocromi e degli enzimi
respiratori (mesosomi respiratori)
 contengono enzimi coinvolti nella sintesi dei
componenti di parete (mesosomi biosintetici)
Mesosoma
Membrana Citoplasmatica
Strutture citoplasmatiche

Citoplasma
 Gel colloidale (80% acqua + 20% sali-proteine)
 H2O quale solvente per componenti funzionali citoplasmatiche
 Proteine, zuccheri, lipidi, sali (Ca, Mg, fosfati, solfati, ecc.)

DNA
 Bicatenario, circolare (lineare in Streptomyces, Borrelia)
 Aploide (organizzazione più efficiente della diploidia: cresce
più velocemente, le mutazioni permettono un adattamento più
veloce all‟ambiente)
 Rilevante lunghezza (1 mm): superavvolto (DNA-girasi)
attorno ad una proteina
 Localizzato in un‟area chiamata “nucleoìde”

Plasmidi:





DNA circolare extra-cromosomico (piccole dimensioni)
Singoli o presenti in più copie
Non essenziali per la crescita ed il metabolismo batterico
Codificano per fattori di virulenza (es. antibiotico-resistenza)
Ribosomi
 60% RNA-ribosomale, 40% proteine
 Differiscono da quelli eucariotici per numero (10.000/cellula) e
dimensioni [subunità: grande (50S) + piccola (30S)]

Assenza di organelli

mitocondri, complesso di Golgi, reticolo endoplasmico
Strutture citoplasmatiche

Inclusioni e granuli
 Corpi intracellulari con funzione di “riserva”
 La cellula batterica può infatti utilizzarli nei casi di
carenza od assenza di fonti energetiche ambientali
 Variabili in dimensioni, numero e contenuto
 Tipologie:




glicogeno
poli-β-idrossibutirrato (Bacteria, Archaea)
vescicole gassose per il galleggiamento (Cyanobacterium)
granuli di zolfo e fosfato (granuli metacromatici;
Corynebacterium diphtheriae)
 magnetosomi (Fe3O4; magnetotassi)
Cellula Procariotica
(1 di 3)
Struttura del peptidoglicano
Parete cellulare

La parete cellulare è presente in gran parte dei Procarioti, dove
circonda la membrana citoplasmatica. Essa è formata da strati
rigidi di peptidoglicano (mureina)
 eccezioni: Archea (generalmente assente; alcune specie presentano
uno pseudoglicano), Micobatteri (peptidoglicano a struttura
caratteristica), Micoplasmi (privi di parete)

Il peptidoglicano è una struttura rigida, simile ad una rete formata
da catene polisaccaridiche lineari, unite tra loro mediante legami
crociati di natura peptidica
(2 di 3)
Struttura del peptidoglicano
Parete cellulare

Componenti dell‟unità di ripetizione (glican tetrapeptide)
del peptidoglicano:
 Catena polisaccaridica: disaccaridi ripetuti (in alternanza) di
N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM),
legati tra loro da legami β(1,4) glicosidici.
 Peptide: tetrapeptide di sintesi enzimatica, legato a NAM e
formato da D- ed L-aminoacidi (uniti mediante legami
peptidici).
• sebbene la sequenza di aminoacidi nei tetrapeptidi sia
specie-specifica, essa contiene sempre in posizione 3 un
aminoacido bibasico: generalmente L-lisina (Gram +),
oppure acido meso-diaminopimelico (Gram-)
(3 di 3)
Struttura del peptidoglicano
Parete cellulare

Nella struttura di base del peptidoglicano, le catene
individuali di peptidoglicano si trovano adiacenti e sono
tenute insieme, a livello dei tetrapeptidi, mediante legami
crociati peptidici:
 Legame crociato peptidico tra diamminoacido in
posizione 3 e D-alanina in posizione 4:
 indiretto, mediante un ponte pentaglicinico (Gram+)
 diretto, mediante legame peptidico tra acido mesodiaminopimelico e D-alanina (Gram-)
 Estrema variabilità nella
composizione dei legami
crociati tetrapeptidici: sono noti
oltre 100 tipi di peptidoglicano
(3 di 3)
Struttura del peptidoglicano
Parete cellulare
NUMERO DI LEGAMI CROCIATI
Oltre che a livello strutturale, la parete dei Gram+ differisce da
quella dei Gram- anche per il numero dei legami crociati:
 nei Gram+: praticamente tutti i residui di NAM sono legati ad
 un tetrapeptide;
 nei Gram-: i legami sono più scarsi e le maglie più larghe

il peptidoglicano conferisce rigidità alla cellula:




il peptidoglicano contribuisce alla patogenicità batterica:




protegge la cellula da sostanze tossiche (es. detergenti)
ha attività pirogena
può interferire con la fagocitosi
è mitogeno (induce la mitosi dei linfociti)
TUTTAVIA, la parete cellulare:

è sensibile al lisozima (lacrime, muco, saliva) che attacca lo
scheletro glicanico a livello del legame β(1-4) glicosidico
 lisandosi (in presenza di penicillina, ad esempio), genera cellule
osmoticamente sensibili che non lisano soltanto in ambiente
isotonico:

Funzioni
Parete cellulare
impedisce la lisi od il collasso della cellula, in risposta a variazioni
della pressione osmotica (pressione interna: 5-20 atm !)
protegge la cellula dalle offese meccaniche
è responsabile anche della forma dei batteri




protoplasto (Gram+), privi di residui di parete cellulare
sferoplasto (Gram-), ossia un protoplasto dotato di frammenti di
parete cellulare
forme L: sferoplasto/protoplasto in grado di crescere; reversibili
(allontanamento dell‟induttore) o irreversibili; responsabili della
cronicizzazione dell‟infezione (antibiotico-R, elusione sist. immune)
è riconosciuta come target da alcuni antibiotici (β-lattamici)
può essere riconosciuta dal sistema immune dell’ospite
(immunogenicità)

Formata da peptidoglicano multistratificato e ispessito


Acidi lipoteicoici:


Gram-positivi
Parete cellulare
150-500 Å; fino a 40 strati concentrici; 40-80% peso secco
 Acidi teicoici (dal greco τεικος= muro):
 polimeri di poliol- (glicerolo, ribitolo) fosfati solubili in H 2O
 responsabili della carica complessiva della superficie cellulare
 legati covalentemente al peptidoglicano
 legano Ca2+ e Mg2+, trasportandoli, in parte, nella cellula
 funzione di adesine (batteriofagi)
 immunogeni (principali antigeni di superficie: sierotipo)
acidi teicoici contenenti un acido grasso
ancorati (mediante l‟acido grasso) alla m. citoplasmatica
 secreti e rilasciati nel mezzo colturale; nell‟uomo possono
svolgere attività endotossica
 funzione di adesine
 immunogeni (determinanti sierotipo batterico)

Carboidrati:


carboidrato C, criterio classificativo negli streptococchi
Proteine:


proteina M (S. pyogenes : antifagocitaria, adesività a mucose)
proteina A (S. aureus: lega Fc anticorpale inibendo
immuncomplesso e attivazione Complemento)
Parete cellulare
Gram-positivi
Gram-negativi: membrana esterna
Parete cellulare

Strutturalmente e chimicamente più complessa di quella dei
Gram+, la parete cellulare dei Gram- è formata da un sottile (2030 Å; 2-3 strati concentrici; 5% peso secco) strato di
peptidoglicano rivestito da una membrana esterna

Membrana esterna:
• Legata al peptidoglicano mediante lipoproteine, piccole
proteine con funzione di ancoraggio: la parte proteica, legata
al peptidoglicano, quella lipidica, inserita nel foglietto interno
della membrana esterna.
• A differenza delle classiche membrane biologiche, lo strato
esterno è composto da una molecola amfipatica: il
lipopolisaccaride (LPS)
• Attraversata da proteine adibite al trasporto (porine)
• Si oppone, maggiormente rispetto alla m. citoplasmatica, al
passaggio di molecole idrofobiche (es. sali biliari, per la
presenza di catene laterali O, idrofiliche, del LPS) e di grosse
molecole idrofiliche (per il doppio strato fosfolipidico)
• Protegge la cellula da ambienti avversi (acidità gastrica)
• Viene distrutta dai chelanti di Ca 2+ e Mg2+ e da antibiotici
(polimixina B) dando vita allo sferoplasto, cellula sensibile a
minime variazioni osmotiche
• Le porine sono organizzate in omotrimeri a formare
canali (pori) che permettono il passaggio di sostanze
idrofiliche attraverso la membrana esterna:
– Porine aspecifiche (molecole PM < 600 Da)
• OmpF, OmpC: diffusione di ioni ed altre piccole molecole idrofile
• PhoE: indotta da “phosphate starvation”, consente il passaggio di
molecole idrofile cariche negativamente
Gram-negativi: porine
Parete cellulare
– Porine specifiche (per molecole più grandi)
• Btu: vitamina B12
• LamB: indotta da maltosio ed altre maltodestrine nel mezzo
• FhuA: uptake del ferro
• Ruolo nella antibiotico-resistenza:
– sostituzione di aminoacidi neutri con aminoacidi carichi che si
proiettano all‟interno del poro e perturbano la normale
diffusione degli antibiotici
– in presenza di antibiotico viene diminuita/eliminata
l‟espressione delle porine implicate nella sua diffusione
• Funzione recettoriale per:
– fagi, batteriocine, componenti del Complemento, anticorpi
• Fattori di patogenicità batterica:
– promuovono l‟invasione delle cellule dell‟ospite, l‟adesione,
l‟attività citotossica
Gram-negativi: lipopolisaccaride (LPS)
Parete cellulare

Il lipopolisaccaride (LPS) è il fattore di
virulenza che caratterizza l‟azione
patogena dei Gram-negativi.
E‟ formato da 3 parti:

LIPIDE A (gruppo-specifico):
glicosfosfolipide; frazione endotossica
ancorata alla membrana esterna tramite
acidi grassi, con i suoi gruppi P laterali
unisce LPS adiacenti; altamente
conservato nei Gram CORE (specie-specifico): polisaccaride
ramificato (9-12 zuccheri, di cui i peculiari
ac. cheto-deossi-octonico ed un eptoso)
 ANTIGENE O (sierotipo): polisaccaride
lineare (50-100 unità ripetute, 4-7
zuccheri/unità); determina il sierotipo
(2.000 in Salmonella, 150 in E. coli)
Gram-negativi: effetti biologici del LPS
Parete cellulare
LPS rappresenta una importante struttura di superficie nella
interazione dell'agente patogeno con il suo ospite.
Infatti, esso può essere coinvolto:
 nell'adesione (colonizzazione);
 nella resistenza alla fagocitosi;
 è sede dei determinanti antigenici;
 se liberato in un ospite sensibile, dà luogo a numerosi effetti tossici
(ENDOTOSSINA BATTERICA)
EFFETTI BIOLOGICI DELL'ENDOTOSSINA SEMPLIFICATI
1) Effetto pirogeno (capacità di indurre febbre anche a basse dosi)
2) Attiva vari tipi cellulari:
- macrofagi (aumento della fagocitosi e capacità battericida,
produzione di monochine attive su vari altri tipi cellulari e tessuti)
- linfociti B (proliferazione e differenziazione in plasmacellule)
- cellule endoteliali
- piastrine
- granulociti
3) Induce infiammazione
4) Induce vasodilatazione con conseguente ipotensione e shock
5) Attiva il Complemento
6) Stimola la coagulazione del sangue CID (coagulazione intravasale
disseminata)
Gram-negativi: effetti biologici dell‟ LPS
Parete cellulare
RUOLO DELL'ENDOTOSSINA NELLO SHOCK ENDOTOSSICO
Shock endotossico: grave quadro clinico che può accompagnare le
setticemie da batteri Gram- caratterizzato da febbre, ipotensione, acidosi,
insufficienza renale e respiratoria e, nelle fasi finali, da coagulazione
intravasale disseminata (CID/DIC) ed insufficienza d‟organo.
Frequenza: 1% dei pazienti ospedalizzati sviluppa sepsi; 20-30% nei
reparti di terapia intensiva.
Esito fatale: 40-60% dei pazienti, nonostante terapie antibiotiche.
Gram-negativi: spazio periplasmico
Parete cellulare

Lo spazio spazio periplasmico è la zona compresa tra:


membrana citoplasmatica e peptidoglicano (Gram+)
membrana citoplasmatica e membrana esterna (Gram-)

Contiene il periplasma, di consistenza gelatinosa, che
occupa circa il 20-40% del volume totale cellulare
 Nello spazio periplasmico si trovano:


proteine di trasporto: per zuccheri, aminoacidi, fosfato, vitamine.
enzimi periplasmici (Gram-) per l‟acquisizione di nutrienti, il
trasporto elettronico, la sintesi del peptidoglicano e la
modificazione di sostanze tossiche (es. β-lattamasi).


nei Gram+, gli esoenzimi sono gli equivalenti degli enzimi
periplasmici
oligosaccaridi derivati dalla membrana; aumentano quando
diminuisce l‟osmolarità dell‟ambiente.
Parete cellulare
Gram-negativi
Parete cellulare
Gram+ vs Gram-
Parete cellulare
Gram+ vs Gram-
Casi particolari
Parete cellulare
 Micobatteri: parete cellulare a struttura complessa
(simile a quella dei Gram+) in cui il peptidoglicano è
intrecciato e legato covalentemente ad un polimero di
arabinogalattano e circondato da uno strato di lipidi
complessati con le cere formate dagli acidi grassi a
lunga catena (acidi micolici) dotate di potente azione
adiuvante la patogenicità. Lipidi con acidi micolici sono
presenti anche nei corinebatteri ed in Nocardia
 Micoplasmi: assenza di parete cellulare e presenza di
steroli nella membrana citoplasmatica
Cellula batterica
Strutture esterne
Strutture esterne: glicocalice
Cellula batterica
 Glicocalice: rivestimento esterno cellulare, composto
generalmente da carboidrati (S. pneumoniae, Neisseria)
ma anche da proteine (poli-D-glutammato in B. anthracis)
 Tipologia:
1. Capsula: altamente organizzata, fortemente adesa
2. Strato mucoso (slime): diffuso, scarsamente adeso ed
organizzato
 Sintesi regolata da fattori:
-
genetici (geni codificanti la capsula), fenotipici (composizione
terreno, fase di crescita, fattori ambientali)
 Funzioni:
– protegge la cellula da disidratazione e perdita di nutrienti
– interferisce con il trasporto di molecole idrofobiche tossiche
(detergenti)
– protegge la cellule dalle difese dell‟ospite: risposta immune,
fagocitosi, etc.
– adesione ai tessuti, formazione di biofilm
Biofilm: dinamica di formazione
Strutture esterne: glicocalice
Cellula batterica
Glicocalice: colorazione
con inchiostro di china
Strutture esterne: flagelli
Cellula batterica
 Il flagello è un fattore di virulenza poichè consente al batterio
la motilità e l‟adesione a superfici abiotiche/biotiche.
 Il flagello viene frequentemente utilizzato dal sistema
immune dell‟ospite per individuare il batterio
 Il flagello risulta composto da tre parti:
– filamento: lungo, struttura elicoidale formata da subunità
proteiche (flagellina)
– uncino: membrana (guaina) curvata
– corpo basale: formato da anelli ancorati alla parete cellulare
Strutture esterne: flagelli
Cellula batterica
 Il numero e l‟organizzazione dei flagelli sono
variabili:
– monotrìco: singolo flagello ad una estremità
– lofotrìco: ciuffo di flagelli ad una estremità
– amfitrìco: un flagello ad ogni estremità
– peritrìco: flagelli disposti attorno alla cellula
 Il flagello guida il batterio in una direzione (movimento
direzionale), in risposta ad uno stimolo esterno:
Strutture esterne: flagelli
Cellula batterica
- stimolo chimico: chemotassi (positiva o negativa)
- stimolo luminoso: fototassi
 Il segnale attiva un movimento rotatorio di 360° in
senso antiorario (run, in avanti con direzione) od orario
(tumble o rotolamento per interruzione del run)
 In presenza di un gradiente “attraente” (positivo), il
numero dei tumbles si riduce favorendo runs più lunghe
Strutture esterne: fimbrie e pili
Cellula batterica





Fimbria (lat., fimbriae: frangie) e pilo (lat., pilus: pelo): polimeri di
pilina
Caratteristicamente più corti, più sottili e più numerosi dei flagelli
(eccezionalmente possono arrivare fino a 20 µm)
Disposti generalmente intorno alla cellula
Consentono l‟adesione intercellulare ed a superfici abiotiche
(inerti) e biotiche (epiteli) (E. coli, N. gonhorroeae). Inoltre, in
azione combinata con i flagelli, consentono alla cellula di
“strisciare” su superfici solide (twitching)
Pili sessuali (pili F): mediano il trasferimento intercellulare di
materiale genetico durante la coniugazione
Strutture esterne: filamenti assiali
Cellula batterica
Filamento assiale:
 Struttura periplasmica, formata da flagelli intracellulari,
localizzati tra la parete cellulare e la membrana
citoplasmatica delle Spirochete (dal greco speira: spirale)
 Contraendosi, impartiscono alla cellula un movimento per
torsione e flessione
Treponema pallidum (spirocheta),
agente eziologico della sifilide
Endospore
Cellula batterica