Tutti i batteri sono procarioti
Capaci di vita libera
Presenza della parete batterica (forma)
Dimensioni medie 1-10 m (Clamidie, Rickettsie e
Micoplasmi sono più piccoli)
Genoma (nucleoide): 1 molecola DNA ds
Metabolismo aerobio o anaerobio; vie metaboliche
simili alle cellule eucariotiche; sintesi di sostanze e
strutture presenti solo nei batteri (Es: parete
cellulare di peptidoglicano)
I batteri si differenziano e vengono perciò
classificati per:
1. Morfologia
(dimensione, forma e
caratteristiche di
colorazione)
2. Caratt. metaboliche
3. Caratt. antigeniche
4. Caratt. genetiche
MORFOLOGIA
Sferici: cocchi
Streptococcus pyogenes
Streptococcus pneumoniae Staphylococcus aureus
Neisseria gonorrhoeae
Neisseria meningitidis
Bastoncellari: BACILLI
Escherichia coli,
Salmonella,
Yersinia pestis,
Clostridium tetani,
Clostridium
botulinum, Bacillus
anthracis
Nelle forme bastoncellari sono inclusi anche i MICOBATTERI, che
rappresentano un gruppo a parte per le loro caratteristiche peculiari.
Importanti patogeni (M. tuberculosis, M. leprae, ecc) che danno luogo a
forme filamentose.
Ricurvi-spiraliformi
Vibrio
cholerae
Treponema
pallidum
(→ sifilide)
Spirochete
orali →
parodontite
(ANUG)
LEPTOSPIRA: leptospirosi, trasmessa con urine e sangue di roditori infetti, di solito entra
attraverso tagli o contatto con le mucose (→sangue →fegato)
La cellula batterica
1)
8)
2)
10)
5)
9)
6)
7)
3)
4)
1)
Nucleoide: cromosoma circolare (DNAds
raggomitolato)
2)
Parete peptidoglicano (mureina)
3)
Membrana citoplasmatica
4)
Ribosomi 70 S (30+50S)
5)
NO citoscheletro e compartimenti intracellulari
5) Capsula
6) Plasmidi
7) Granuli di riserva (glicogeno, lipidi, polifosfati)
8-9) Flagelli, pili
10) Membrana esterna
L’80% è costituito di acqua
Nel cytosol (gel acquoso) sono dispersi
gli acidi nucleici (DNA, RNA), ribosomi,
enzimi, amminoacidi, carboidrati, lipidi,
ioni organici e numerosi composti proteici
che rappresentano le inclusioni
citoplasmatiche
Ribosomi, presenti
in circa 15.000,
sono composti da
due subunita’
(30S + 50S) che
formano un
complesso di 70S.
Sintesi proteica
La sintesi proteica (traduzione)
nei batteri è accoppiata alla
trascrizione (non c’è
compartimentazione
nucleo/citoplasma).
Iniziazione: Legame subunità
30S con mRNA (AUG) e fmettRNA (met in eucarioti e Archea)
→ assemblaggio ribosoma 70S
(sito P e sito A).
Allungamento: successivo
tRNA (sito A) → legame
peptidico → spostamento di 3
nt → continuazione fino a
codon di terminazione (no tRNA
corrispondente)
n.b.
La sintesi proteica è il bersaglio di una
vasta classe di antibiotici
• Amminoglicosidi (streptomicina, gentamicina): si
legano alla subunità 30S
• Tetracicline: impediscono l’ elongazione del
polipeptide a livello della subunità 30S
• Macrolidi (eritromicina): impediscono l’ elongazione
del polipeptide a livello della subunità 50S
Con il termine “involucro cellulare” (cell
envelope) di un batterio si intende tutto il
materiale esterno che racchiude il citoplasma
Consiste di diversi strati chimicamente e
funzionalmente distinti:
MEMBRANA CELLULARE (plasmatica)
PARETE CELLULARE (cell wall)
MEMBRANA ESTERNA (solo nei Gram-)
1.
2.
3.
membrana cellulare
Modello Singer e
Nicholson:
composta da
doppio strato
fosfolipidico come
nelle cellule
eucariotiche.
Spessore ca 80 Å
Non contiene steroli (ad eccezione dei micoplasmi), sostituiti
da terpenoidi con la stessa funzione di stabilizzazione e
compattamento.
Funzioni
Sulla membrana si trovano TUTTI gli ENZIMI
per la sintesi dei lipidi e dei costituenti della
parete (peptidoglicano, ecc.).
La membrana è sede dell’apparato per la
produzione di ENERGIA (no mitocondri:
sistema di trasporto di elettroni, citocromi, FATPasi).
La membrana svolge funzioni di
TRASPORTO (passivo, facilitato e attivo) di
composti dall’esterno all’interno della cellula
e viceversa, mediante proteine carrier o
permeasi
Ci sono POMPE IONICHE per il
mantenimento del potenziale di membrana.
Parti specializzate della membrana
Il MESOSOMA è una porzione della membrana
citoplasmatica invaginata, punto di ancoraggio e
duplicazione del DNA batterico
PARETE CELLULARE
La membrana citoplasmatica nei procarioti è circondata da
uno strato rigido (ad eccezione dei micoplasmi):
la PARETE.
Conferisce alla cellula forma, integrità e porosità e la
racchiude in un contenitore rigido che la protegge dalla
lisi osmotica. Resiste alla pressione (fino a 20 atmosfere).
Composta da una matrice di polisaccaridi-peptidi
strettamente connessi da legami crociati
(PEPTIDOGLICANO, detto anche mureina o mucopeptide
batterico).
Peptidoglicano
Come è fatto?
La porzione “glicano” è
un polimero lineare di
subunità
monosaccaridiche
alternate di Nacetilglucosamina (NAG)
e acido N-acetilmuramico
(NAM). Questo polimero è la base della struttura a
maglia.
La porzione “peptidica” è data da una breve serie di
aminoacidi che serve a formare i legami crociati tra
filamenti adiacenti (subunità NAM), formando una rete
altamente resistente.
PEPTIDOGLICANO
PENTAPEPTIDE
•Ala
•Glu
•Lis
•Ala
•Ala
•Ala
•Glu
•DAP
•Ala
•Ala
Legame Beta (1-4)
Legame Beta (1-6)
Il PEPTIDOGLICANO è
essenziale per la struttura,
forma, replicazione e
sopravvivenza dei batteri.
Nell’infezione interferisce con
la fagocitosi, è mitogeno per i
linfociti, ha attività pirogena.
E’ degradato dal lisozima
presente in lacrime, muco e
saliva (LEGAMI Beta 1-4).
PROTOPLASTO: batterio con
parziale rimozione della
parete: può subire una lisi
osmotica
Legame Beta (1-6)
Legame Beta (1-4) scisso
dal lisozima o
muraminidasi prodotto dai
granulociti, macrofagi e
PMNL
Sintesi parete
1.
Attivazione di NAM e NAG mediante
legame a UTP: NAM-UDP e NAGUDP.
2.
Sintesi del peptide di legame:
pentapeptide aggiunto a unità UDPNAM
3.
Trasferimento della unità UDP-NAMPEP a BPP (bactoprenolo) situato
sulla superficie interna della
membrana (legame pirofosfato con
rilascio di UMP). Viene aggiunto NAG
a NAM-PEP (rilascio UDP) e si forma
NAG-NAM-PEP.
4.
BPP trasporta unità NAG-NAM-PEP
sulla superficie esterna della
membrana e aggiunge l’unità al
polimero di peptidoglicano nascente.
5.
Legame crociato del pentapeptide:
transpeptidazione che lega il DAP
del peptide di una catena all’ Ala di
un’altra (posizione 4). D-ala-D-ala
terminale necessario: si stacca ultima
ala da uno dei due PEP.
N.B.
Il metodo di legame crociato descritto
è caratteristico dei Gram- (es: E.coli)
Nei batteri Gram+ (es: S. aureus) un
pentapeptide glicina è solitamente
interposto tra la lisina in posizione 3
di un peptide e l’alanina in posizione
4 di un altro peptide (Figura A).
La struttura dello strato di
peptidoglicano dei Gram+ è illustrata
in Figura B.
n.b.
La sintesi della parete è il bersaglio di
numerosi antibiotici.
• Antibiotici -lattamici (penicilline, cefalosporine): inibiscono le
reazioni di transpeptidazione e carbossipeptidazione che
intervengono nella formazione dei legami crociati tra PEP.
• Altri antibiotici (bacitracina, cicloserina, vancomicina):
impediscono rispettivamente il riciclaggio BPP, sintesi del dipeptide
D-ala-D-ala, e incorporazione dell’unità NAG-NAM-PEP nel
peptidoglicano in crescita.
La struttura della PARETE
CELLULARE non è uguale
in tutte le specie batteriche:
Gram(+) e Gram(-)
DIFFERENZE PARETE GRAM+/GRAMGram+ possiedono parete spessa formata da più strati di peptidoglicano, che
sono covalentemente legati all’ acido teicoico (polimero di glicerolo modificato
che rappresenta il principale antigene di superficie della cellula).
Gram- possiedono 2 membrane: una interna (citoplasmatica) e una esterna
(LPS). La parete è sottile e situata tra le 2 membrane, nello SPAZIO
PERIPLASMICO. Questo spazio è gelatinoso, contiene enzimi e altre sostanze.
La membrana esterna contiene fosfolipidi, proteine e polisaccaridi legati a
formare lipopolisaccaridi.
PARETE GRAM+
Spesso strato di
peptidoglicano (200-800 Å)
all’esterno della membrana
citoplasmatica.
Contiene acidi teicoici e
lipoteicoici (polimeri
ribitolo o glicerolo legati a
fosfati).
D-alanina, glucosio o altre
molecole possono formare
catene laterali e costituire
determinanti antigenici
(polisaccaridi complessi C,
la proteina M degli
streptococchi e la
proteina A degli
stafilococchi).
PARETE GRAMParete più complessa: strato sottile di
peptidoglicano (20-30 Å), membrana esterna, che delimita lo spazio
periplasmico, che contiene molti enzimi (proteasi, fosfatasi, lipasi, nucleasi),
fattori di virulenza (collagenasi, jaluronidasi,
beta-lattamasi), sistemi di trasporto e proteine leganti (lipoproteine di Brown).
La membrana esterna è una barriera
per le grosse molecole (lisozima).
Strato più esterno composto da
lipopolisaccaride (LPS: lipide A +
polisaccaride O), che è la
endotossina, potente stimolatore della
risposta immunitaria (macrofagi, APC,
linfociti B).
Nella membrana esterna ci sono le
porine, proteine aggregate 3 a 3 che
consentono la diffusione di molecole
idrofile.
LIPOPROTEINA DI BROWN:
legame covalente con il
peptidoglicano, funge da
ancoraggio alla membrana
esterna
Struttura LPS
E’ presente solo nei batteri Gram E’ l’ENDOTOSSINA, fattore di virulenza
che caratterizza la loro azione patogena.
Antigene O: catene laterali variabili come
tipo e numero di zuccheri (fino a 50-100)
proiettate verso l’esterno (antigene somatico
O), permette di distinguere tra sierotipi
(ceppi) di una stessa specie batterica.
Core: nucleo polisaccaridico
costituito da zuccheri
Lipide A: porzione tossica, inserito
nella membrana esterna, formato da
un disaccaride di glucosammina
fosforilata e acidi grassi.
Gram +
Gram –
Colorazione
di Gram
Parete cellulare dei micobatteri
Struttura di base simile ai Gram+ (membrana plasmatica
interna circondata da spesso strato di peptidoglicano
senza membrana esterna).
Però molto ricca di LIPIDI (60% del peso della parete).
Ciò conferisce le proprietà specifiche dei
micobatteri: acido-resistenza, crescita lenta,
resistenza ai disinfettanti, ai più comuni antibiotici, e
ai coloranti tradizionali, antigenicità, crescita in
ammassi.
Parete cellulare dei micobatteri
Elevato contenuto in
lipidi e cere:
il peptidoglicano è legato
agli arabinogalattani, i
quali sono legati agli
acidi micolici, che sono
lipidi a 60 - 90 atomi di
carbonio uniti a
carboidrati tramite
legami covalenti. I
glicolipidi superficiali
(detti anche micosidi) e i
fosfoglicolipidi (**) sono
altamente antigenici.
**
Micobatteri:
•M. tuberculosis
•M. leprae
•M. bovis
•MOTT (micobatteri non
tubercolari,
M. avium
complex)
La tendenza del batterio a crescere in ammassi a forma
di catene parallele è dovuta al fattore cordale
(particolare derivato acidi micolici: glicolipide
dimicoliltrealosio).
Il fattore cordale è tossico se inoculato nel topo ed è
implicato nella virulenza dei micobatteri (inibizione della
fagocitosi mediata dai macrofagi con sopravvivenza
endovescicolare).
Le proteine sono importanti
Ag: la tubercolina o purified
protein derivative (PPD)
sono appunto proteine
micobatteriche purificate e
utilizzate per la reazione di
Mantoux
B.C.G. (bacillo di Calmette e
Guérin): vaccino
antitubercolare, variante
apatogena di M. bovis
Per la presenza di questa peculiare parete, i Micobatteri non assumono
bene i coloranti Gram e devono essere colorati con il metodo di ZiehlNielsen o dell’acido resistenza.
PROTOCOLLO:
•Colorare il preparato per 5 min. con
fucsina fenicata di Ziehl, scaldando con
la fiamma il vetrino fino allo svolgimento
di abbondanti vapori.
• Lavare bene in acqua distillata.
• Decolorare con soluzione di acido
solforico al 20% per circa 30 sec.
• Lavare in acqua distillata.
• Trattare con alcool etilico 95% fino al
completo rilascio di colore.
• Lavare velocemente.
• Colorare con soluzione idroalcolica di
blu di metilene per 1-2 min.
• Lavare bene in acqua distillata.
• Asciugare all’aria.
Batteri alccol-acido resistenti: rossi su fondo azzurro.
All’esterno della parete ci possono essere strutture non
indispensabili per la crescita e la riproduzione, ma che
possono essere molto importanti per la virulenza.
► Capsula – Glicocalice/Strato mucoso: strato di
polimeri (negli archeobatteri si trova lo strato S,
proteico)
► Appendici: flagelli e pili
CAPSULA e GLICOCALICE
Molti batteri (sia Gram+
che Gram-) secernono un
materiale mucoso che
riveste la cellula.
In generale di natura
polisaccaridica (ma la
composizione è variabile).
Se il materiale è adeso
alla cellula e ben
organizzato → capsula.
Se il materiale è lasso e
amorfo → glicocalice o
strato mucoso.
capsula
Pseudomonas aeruginosa (ME
a trasmissione) (scala: 0,1 m)
C: capsula; R: ribosomi; PP:
polifosfato
Funzioni della capsula
ADESIONE: strato di materiale “appiccicoso”che favorisce l’adesione
del batterio e la possibilità di colonizzare particolari nicchie ecologiche
(formazione di “biofilm”)
RESISTENZA: verso essiccamento (capsula molto ricca di H2O), sostanze
tossiche, disinfettanti (capsula può assorbire antibiotici, metalli pesanti,
batteriocine), verso infezione da parte di batteriofagi
Inibizione fagocitosi e killing; attività antigenica (vaccini: vaccino antimeningite da Haemophilus influenzae o da pneumococco)
Mimetismo immunitario: maschera gli antigeni di superficie sottostanti
(parete, membrana esterna)
→ contribuisce alla PATOGENICITA’:
La capsula è un fattore di virulenza!
APPENDICI: FLAGELLI
Possono essere unici (monotrico) o numerosi (lofotrico, peritrico).
Funzione = MOBILITA’
Lunghe strutture tubolari cave, semirigide, elicoidali, ancorate alla membrana
batterica. Costituiti da flagellina, una proteina contrattile di 30-60 kDa. Sono formati
da un unico filamento sprovvisto di membrana (diametro 20 nm, lunghezza 15-20
μm). Possono essere persi e rigenerati e la loro sintesi è regolata da almeno 20
geni. Le flagelline sono altamente antigeniche e costituiscono l’antigene H dei batteri
mobili (es: Salmonelle, Vibrioni).
I flagelli sono organi di movimento, cioè conferiscono motilità ai
batteri.
Consentono un movimento orientato (chemiotassi positiva o
negativa in risposta a stimoli fisici quali luce e calore e chimici quali
nutrienti o sostanze dannose).
Fotografia al M.E.
Proteus mirabilis
(flagelli peritrichi)
I flagelli sono ancorati alla parete
e alla membrana citoplasmatica.
Sono costituiti dal filamento,
dall’uncino (breve segmento
ricurvo costituito da subunità
proteiche) e dal corpo basale
(ancorato alla membrana cellulare
e costituito da anelli, più
complessi nei Gram-).
Il corpo basale connette il
filamento al “motore” del flagello.
Il potenziale di membrana
fornisce energia
elettrochimica per il “motore”
del flagello
Filamento assiale: flagello interno presente solo nelle spirochete
Spirochete:
Treponema pallidum = sifilide
Leptospira = leptospirosi (meningite asettica, insufficienza renale e epatica)
Borrelia bergdorferi = Lyme disease (lesioni cutanee o eritema migrante)
Sono strutture proteiche rigide (0,2-20 μm) presenti sulla superficie esterna
della cellula.
I pili comuni, spesso codificati da plasmidi, sono presenti in gran numero
(anche fino a 1000 per cellula).
NON SERVONO PER IL MOVIMENTO, ma mediano ADESIONE e
AGGREGAZIONE batterica, quindi favoriscono la colonizzazione e la
formazione di pellicole superficiali.
Costituiti da proteina (pilina), lineari, a centinaia intorno al batterio, più corti
e sottili dei flagelli.
Funzione = Adesività
Immagine al M.E.
di Escherichia coli.
Funzione dei pili:
ADESIONE.
Le punte dei pili
contengono
proteine (lectine)
che legano
specifici zuccheri
(es: mannosio).
PILI “f”
Un particolare tipo di pili (pili F o pili
sessuali) permettono la CONIUGAZIONE
(ricombinazione genica).In genere sono
molto più lunghi dei pili comuni.
Cellula F-
Pilo sessuale: cilindro cavo
(1-3 μm), 1 per cellula,
codificato dal plasmide F
(fattore F).
Pilo sessuale
Cellula F+
