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Il glicocalice
Molti microrganismi secernono sostanze mucose costituite
generalmente da polisaccaridi e anche proteine.
Questo strato ricco in polisaccaridi viene definito
GLICOCALICE
Il Glicocalice cambia di composizione chimica da specie a specie ed è
tipico per ogni specie sia lo spessore che la rigidità.
CAPSULA è un glicocalice rigido organizzato in fitta
matrice che non permette passaggio di particelle
(inchiostro di china)
STRATO MUCOSO è un glicocalice è di tipo deformabile
più sottile debolmente adeso alla parete. Vien definito
anche SLIME o EPS ( extracellular polysaccarides).
Funzione del glicocalice
Gli strati polisaccaridi esterni svolgono un ruolo importante
nell’interazione del batterio con l’ambiente esterno. Batteri senza
glicocalice sono vitali
Glicocalice è un importante fattore di virulenza
In Streptococcous pneumoniae i batteri non capsulati non sono
patogeni in quanto la capsula inibisce inibisce i processi di fagocitosi
dei batteri da parte dei macrofagi
Glicocalice è un importante fattore di aderenza
Streptococcus mutants , in presenza di destrosio produce una capsula
polisaccaridica che consente l’attacco del batterio allo smalto dei
denti. L’acido prodotto dalla fermentazione del saccarosio corrode lo
smalto dentale
Glicocalice svolge un ruolo nella resistenza
all’essiccamento in quanto è in grado di assorbire H2O .
Colorazione tramite Quellung ( o rigonfiamento).
Capsula di Streptococcus
pneumoniae, che
costituisce un importante
fattore di virulenza è
difficilmente
identificabile con tecniche
classiche di contrasto.
Con questa tecnica (
quellung) possono essere
identificate mediante
anticorpi specifici per la
capsula
La gran parte delle capsule è di
natura polisaccaridica : possono
essere costituite da
•OMOPOLIMERI / composti da unità
identiche di polisaccaridi come
destrani ( polimeri del glucosio) o
levani ( polimeri del fruttosio).
•ETEROPOLIMERI come acido
ialuronico ( in Streptococcus pyogenes
consiste di N-acetilglucosamina e acido
glicuronico)
Vi sono capsule di natura proteica.
In B. anthracis solo acido D-glutammico con
gli AA uniti tramite gruppo g- carbossilico
Colorazione con inchiostro di china che fa evidenziare la
capsula definita colorazione negativa in quanto lo sfondo
è colorato e la capsula non facendo penetrare il
colorante appare
A differenza delle catene
polisaccaridiche dell’’antigene O
del LPS che sono legate
covalentemente all’LPS, le catene
di zuccheri che costituiscono la
capsula sono inseriti nella
membrana esterna ma non sono
legati all’LPS.
I carboidrati presenti nella
membrana esterna dei Gram- che
costituiscono l’antigeno O e la
capsula ( K) sono delle lunghe
catene di zuccheri con una
composizione estremamnte
variabile.
La presenza della capsula
conferisce alla colonia
una morfologia liscia S
(smooth).
I mutanti privi di capsula
formano colonie rugose R
(rough).
Nei batteri Gram- la capsula è costituita essenzialmente da
polisaccardi
In Escherichia coli troviamo glucosio , galattosio, fucosio, acido
glucuronico,acido sialico.
Le capsule sono altamente idratate (fino a 90% di acqua) e possono
contribuire alla resistenza dall’essicamento.
K12 : ecco la struttura della capsula più famosa
La capsula K1 di E. coli
In E. coli vi sono infatti circa 150 varianti di Antigene O e circa 100 diversi
capsule K. (E. coli K12)
Tutti i ceppi patogeni di E. coli hanno una capsula e quindi formano colonie di
tipo S (Smooth) .
La composizione degli zuccheri dell’antigene O e della capsula conferisce
specificità per i diversi ospiti (uomo, uccelli, maiali) e per i diversi distretti
da colonizzare ( intestino, tratto urinario o il sangue).
Oltre il 90% dei casi di batteremia (infezione batterica nel sangue) da E.
coli è causata da ceppi che hanno un tipo specifico di capsula K1.
La capsula K1 è costituita da lunghi polimeri di acido
sialico che si estendono per oltre metà del diametro
della cellula batterica.
Dal momento che l’acido sialico* costituisce un
rivestimento frequente delle cellule di mammifero, il
sistemo immune dell’uomo non riconosce come
estranea la capsula K1.
Quindi i batteri con capsula K1 sono resistenti sia alla
immunità innata che a quella adattiva. In genere la
capsula di tipo K1 si trova associata a particolari
antigeni O che ne permettono la giusta esposizione
*Acido sialico è un monosaccaride a 9 atomi di Carbonio acido N-acetil neuroamminico
Regione genetica è distinta in tre gruppi
kps
Regione 3
neu
Regione 2
kps
Regione 1
Le regioni 1 e 3 definite kps sono coinvolte nel
trasporto dei componenti della capsula generalmente
polisaccaridi
la regione 2 definita neu coinvolta nella biosintesi dei
polisaccaridi ed è specifica per ogni sierotipo di E.coli
La biosintesi assomiglia come processo alla sintesi del
peptidoglicano e avviene grazie a trasportatori di
membrana. Le regioni 1 e 3 sono conservate in E.coli
La regione 1 costituita da 6 geni ed è coinvolta
nell’attraversamento della membrana esterna.
Mutazioni nella regione 1 provocano un accumulo
di residui polisaccaridici nello spazio periplasmatco
La regione 3 è costituita da 2 geni sistema ABC
kpsM
Proteine
integrale della
membrana
kpsT
Proteina periferica
legata alla membrana
ABC transporter
I geni KpsM e KpsT sono localizzati nella regione 1 e sono 2 proteine
della membrana interna con dominio ABC.
Le proteine KpsE e KpsD coinvolte nel trasporto dei componenti della capsula sono
codificate da geni della regione 3.
La regione 2 è una regione variabile a seconda della
complessità del polisaccaride e contiene le informazioni
necessarie per le funzioni di sintesi, attivazione e
polimerizzazione. La capsula più studiata è quella di E.coil K1
Acido sialico è sintetizzato nel citoplasma in una reazione di
condensazione
PEP + N- acetilmannosamina
Acido Sialico
NeuB
Neu C sintetizza N acetil mannosamina
Neu B acido sialico sintetasi
Neu A catalizza la sintesi di Acido Sialico a CMP
( Citidin 5 acido monofosfosialico è la forma attivata dell’acido
sialico richiesta per la biosintesi)
Neu D acetila il complesso Acido sialico-CMP Cytidine
Neu S coinvolto nella polimerizzazione
Neu E coinvolto nel trasporto
Biosintesi con trasportatore ABC-dipendente
Il polimero viene sintetizzato sul
lato interno della membrana
interna per aggiunta di residui di
glucosio alla catena nascente.
Il residuo viene poi trasportato
da un trasportatore di tipo ABC
I sistemi di tipo ABC
Presentano una proteina con
un dominio ABC (ATP binding
cassette) con attività
ATPasica,in grado di legare
ed idrolizzare ATP in modo
da fornire l’energia
necessaria al trasporto, una
proteina di fusione MPF
associata alla membrana
interna ma che si estende
nel periplasma ed una
proteina dellla Membrana
esterna (OMP).
Il dominio ABC si riconoscono 3 specifiche sequenze molte
conservate ( in rosso):
I dominio Walker A e Walker B che costituiscono rispettivamente il
sito di legame dell’ATP e il sito di idrolisi.
presenti in molte in molte ATPasi anche eucariotiche.
Inoltre nelle proteine ABC vi è una sequenza detta “Peptide di
unione” o caratterizzante (linker petide o Signature ) localizzato a
monte del motivo Walker B.
ATP
binding
ATP
hydrolisis
Il sistema di tipo I come esempio di sistema ABC
Il trasporto dell’emolisina
Biosintesi Wzy-dipendente.
Alcuni polimeri vengono
costruiti quando si trovano
legati al bactoprenolo ,
grazie all’azione di una
glicotransferasi
localizzata nella membrana
citoplasmatica. Sono poi
trasportati attraverso la
proteina Wzy,
polimerizzati nel
periplasma e traslocati
verso la membrana esterna
da un sistema di proteine
di membrana
Strato S ( S-Layer)
Alcuni batteri
sintetizzano degli
strati esterni di
natura proteica.
Negli Archea questi
strati proteici
possono costituire
la parete cellulare.
Possono costituire
sito di attacco dei
batteriofagi
Gli S layer si presentano come una struttura altamente
organizzata, tipo una struttura cristallina , con varie simmetrie
(esagonale, tetragonale,) a seconda del numero e della struttura
delle subunità glicoproteiche che li compongono .
Anche in molti Batteri Gram+ e
negativi è presente uno strato di
rivestimento esterno definito S
layer.
S Layer si ritrova come
costituente della parete in quasi
tutti gli Archea.
S layer si forma per
autoassemblaggio di subunità
proteiche con simmetria
esagonale , quadrata o obliqua
come teste fagiche. Durante
l’assemblaggio si vengono a
formare pori di dimensioni
identiche
Gli strati S sono associati mediante
legami non covalenti a diverse
strutture cellulari.
Nei batteri Gram+ le subunità dello
strato S sono legate al peptidoglicano
Nei Batteri Gram- sono legati al LPS
Gli Strati S sono composti da
proteine insolubili in acqua,
debolmente acide con un alto
contenuto di
Acido glutammico
Acido aspartic a
Lisina
aminoacidi idrofobici.
Le proteine che costituiscono lo strato S sono secrete con il
sistema Sec (ad eccezione di Caulobacter dove sono secrete con
un sistema di tipoI).
Le proteine dello strato S sono frequentemente legate a catene di
zuccheri costituiti da unità ripetute di vari tipi di zuccheri che
sporgono nell’ambiente extracellulare (glicoproteine). Lo strato di
glicosilazione varia dal 1 al 10%.
Il processo di sintesi è alquanto complesso e la glicosilazione viene
regolata in modo coordinato con la sintesi della proteina.
Qual è la funzione S layer?
Favorisce adesione e riconoscimento di superfici, conferisce
rigidità e nei batteri patogeni protezione dalle difesa dell’ospite.
Lo strato S negli Archea
Negli Archea lo strato S è molto diffuso.
Pseudopeptido
glicano
Negli Archea che non possiedono
una parete cellulare simile ai
Batteri, lo strato S costituisce
l’unico rivestimento ed è associato
alla membran citoplasmatica
In alcuni Archea che
possiedono lo
pseudopeptidoglicano
(pseudomureina) le subunità
di strato S sono legate allo
pseudopeptidoglicano
S Layer negli Archea.
Strato mucoso e lo scivolamento.
Batteri che scivolano
Strato mucoso
Alcuni batteri si
spostano per
scivolamento
tramite la secrezione
di una sostanza
mucosa (slime) che
forma la scia sulla
quale scivolano.
Cytophaga e
Flavobacterium si
muovono per
scivolamento ed
utilizzano chitina,
cellulosa
Variazione Lezioni
Settimana dal 16al 20 Novembre
Si svolgeranno le esercitazioni
Via dei Sardi 70 III piano
I MAGNETOSOMI particelle di MAGNETITE
avvolte da un involucro membranoso
I cristalli di magnetite
creano nella cellula un dipolo
magnetico rendendo il
batterio capace di
rispondere a fenomeni
magnetotoattici.
Molti batteri magnetotattici
crescono a basse
concentrazioni di O2 e
sembra che la funzione sia
quella di guidare i batteri
che si muovono tramite
flagello verso sedimenti in
cui la concentrazione di O2 è
più bassa.
Magnetosomi isolati da
Magnetospirillum. Ogni
particella e di circa 50nm
Sono circondati da una
membrana costituita da
fosfolipidi , proteine e
glicoproteine che
costituisce un monostrato
fosfolipidico. Le proteine
svolgono un ruolo nel
precipitare il Fe 3+ (
trasportato da agenti
chelanti ) a Fe3O4 (
magnetite). La morfologia
dei magnetosomi è specie
specifica
INCLUSIONI CITOPLASMATICHE
I procarioti accumulano nel citoplasma un ampia varietà di
materia organica ed inorganica come nutrienti di riserva.
Quasi tutte le sostanze sono presenti come GRANULI o
INCLUSIONI e sono conservate sotto forma di polimeri
(per mantenere più bassa la pressione osmotica
intracellulare). La maggior parte delle inclusioni sono
circondate da una sottile membrana NON UNITARIA
costituita da un monostrato di lipidi
I principali composti organici accumulati sono
•GLICOGENO
•AMIDO
•POLIALCANOATI
•POLIFOSFATI
•CIANOFICINA
Poli b idrossialcanoati
Granuli di poli b
idrossibutirrato , un
composto lipidico
costituito da unità
ripetute di acido poli
idrossibutirrico legate
da un legame estere e
sintetizzato dall’Acetil
CoenzimaA .
La lunghezza dei polimeri
può variare con un
numero di atomi di
Carbonio tra 4 e 18
Prodotti sia dai
Batteri che dagli
Archea
GLICOGENO (presente anche in cellule animali ) e
l’AMIDO (presente anche nelle alghe e cellule vegetali)
possono formare piccoli grani o grandi strutture
sferoidali.
Amido
Glicogeno
Costituiscono come gli polidrossialcanoati una fonte di riserva di
carbonio e di energia e vengono prodotti quando i batteri si
trovano in periodi di limitata disponibilità di azoto con carbonio
organico in eccesso
Cianoficina presente unicamente nei cianobatteri .
È il solo granulo di riserva di azoto : in molti ambienti
l’Azoto risulta spesso un elemento limitante :
• può essere usata come fonte di energia durante i
processi di disgregazione
•granuli di cianoficina sono formati da un copolimero
di acido aspartico con ciascun residuo di ac.aspartico
contenete un gruppo laterale di arginina.
• L’arginina deidrogenesi determina sintesi di ATP:
Arginina + ADP +P+ H20
Ornitina+ ATP+ NH3 + CO2
Globuli solfurei
Alcuni batteri sono in grado di ossidare composti sulfurei
come idrogeno solforato o il tiosolfato in processi
biosintetici o di produzione di energia .
All’interno della
cellula si
accumula zolfo
elementare sotto
forma di
GRANULI.
In assenza di
ZOLFO i granuli
scompaiono in
quanto lo ZOLFO
si ossida e viene
utilizzato dalla
cellula
CLOROSOMI sistema di membrane cellulari per la
fotosintesi
Il clorosoma ha
una struttura a
forma di sigaro e
si ritrova in
prossimità della
M.I., contiene i
pigmenti ed è il
centro di
fotoreazione.
Presente nei Batteri
verdi sulfurei
(Chlorobi) e nei
batteri verdi
filamentosi
(Chloroflexi)
Organizzazione strutturale del clorosoma
ATPasi
Bcha associata a LH
Centri di reazione
Le molecole di
batterioclorofilla nel
clorosoma non sono
associati a proteine
ed hanno il compito di
raccogliere la luce e di
convogliarne l’energia
nei centri di reazione
localizzati nella M.I.
Il trasferimento
avviene attraverso
molecole di
batterioclorofilla a
associate alla
membrane.Questa
organizzazione è
altamente efficiente
nell’assorbimento di
luce a bassa intensità
La clorofilla a è la
principale
clorofilla delle
piante superiori di
molte alghe e
cianobatteri.
Le batterioclorofille
sono presenti nei
batteri anossigenici
Le batterioclorofille
hanno in gnere un
massimo di
assorbimento intorno
a 800-925 nm invece
di 680 ( clorofilla a)
Le vescicole gassose
• conferiscono alle cellule la capacità di galleggiare :
• sono presenti nei cianobatteri ed in altri batteri acquatici (
batteri fototrofi purpurei e verdi) e in alcuni Archea.
•Sono strutture di natura proteica a forma di capside vuote ma
rigide.
• Hanno una lunghezza compresa tra 300 -1000nm e uno spessore
da 45 a 120nm.
Vescicole gassose
•sono presenti in numero variabile (da 3-4 a 3-400)
•sono raggruppate a costituire strutture visibili al
microscopio a contrasto di fase come strutture più chiare
•la membrana costituita solo da proteine ( spessore di 2nm)
è impermeabile all’H20 e ai soluti e permeabile ai gas
•le proteine sono GvpA (molto abbondante) e GvpC
Vescicole gassose sono strutture riempite di GAS, sistemate in fasci
e circondate dai costituenti del citoplasma.
Membrana delle vescicole gassose è permeabile ai gas , la
composizione e la pressione dei gas all’interno la vescicola è la stessa
di quella che si ritrova nell’ambiente dove vive il microrganismo
La vescicola presenta
una densità pari al
5-20% della cellula
che favorisce la
capacità di
galleggiamento .
I batteri si possono
cosi posizionare lungo
una colonna d’H2O
nelle regioni di luce
più idonee per la
fotosintesi
Electron micrograph of a lysed
Halobacterium salinarum cell
containing spindle-shaped gas
vesicles.
b | Isolated cylinder-shaped
gas vesicles of Hbt. salinarum.
Morphogenesis of gas vesicles, starting from aggregated proteins that form a bicone, which
grows to become a spindle- or cylinder-shaped gas vesicle. The 4.6 nm-wide ribs formed by
gas vesicle protein A (GvpA) run nearly perpendicular to the long axis of the gas vesicle. d |
Groups of small gas vesicles are produced in cells during the early stages of gas vesicle
formation, and later on cells are filled with large gas vesicles.
GvpA
•piccola proteina, idrofobica a struttura a b foglietto molto rigida
•costituisce la struttra dell’involucro esterno ( 97% delle proteine)
•monomeri allineati a nastri paralleli
GvpC
•presente in quantià minore, struttura ad a elica
•rafforza l’involucro proteico, con legami crociati
Carbossisomi.
• Inclusioni poliedriche presenti in microrganismi che
utilizzano il Ciclo di Calvin per fissare la CO2
• Sono costituite da molecole di RIBULOSIO DIFOSFATO
Carbossilasi ( RubisCO) in forma cristallina
• Aumentano la quantità di RubisCO2 per una più efficiente
fissazione di CO2
• Enzima è in forma insolubile quindi si concentra senza
aumentare l’osmolarità
I carbossisomi :
hanno un diametro di 100 nm
e sono circondati da una
sottile membrana
Sono presenti nei solfobatteri
obbligati, nei batteri
nitrificanti nei cinobatteri.
Non sono presenti negli
autotrofi facoltativi e quindi
potrebbero rappresentare un
adattamento evolutivo alla vita
strettamente autotrofa
Fissazione autotrofa di CO2 il Ciclo di Calvin
Per la prima tappa della riduzione di CO2 nel ciclo di Calvin è
necessaria la RIBULOSIO DIFOSFATO CARBOSSILASI (
RubisCO) , un enzima estremamente diffuso nei Batteri negli Archea
e nelle Alghe. Molto abbondante nei cloroplasti (50% prot.tot.)
La RIBULOSIO DIFOSFATO CARBOSSILASI catalizza la
formazione di 12 molecole di Acido 3-fosfoglicerico a partire da 6 di
CO2 e 6 di ribulosio difosfato
Ciclo di Calvin
Dall’incorporazione di 6
molecole di CO2 viene
prodotta una molecola di
Fruttosio 6-fosfato