La produzione di energia serve anche a
costruire le componenti della cellula
batterica
Oltre all’energia sono necessari i “nutrienti”
carbonio
azoto
zolfo
fosforo
oligoelementi
Le tecniche di coltivazione in
coltura axenica
Usando terreni chimicamente definiti
ci hanno permesso di comprendere le esigenze
nutrizionali di diverse specie microbiche
A seconda della quantità richiesta le sostanze si dividono in
MACRONUTRIENTI
micronutrienti
MACRONUTRIENTI -1
CARBONIO
AZOTO
FANNO PARTE DEI
COMPONENTI
STRUTTURALI DELLA
CELLULA BATTERICA
OSSIGENO
IDROGENO
ZOLFO
FOSFORO
CARBOIDRATI
PROTEINE
LIPIDI
ACIDI
NUCLEICI
MACRONUTRIENTI -2
POTASSIO
NECESSARIO A TUTTI
ATTIVA ENZIMI
MAGNESIO
NECESSARIO A TUTTI
COFATTORE PER ENZIMI
STABILIZZA RIBOSOMI,
MEMBRANA , ACIDI NUCLEICI
FERRO
NECESSARIO A TUTTI
COSTITUENTE DI CITOCROMI
COSTITUENTE DI ENZIMI
SODIO
NECESSARIO- MA NON A TUTTI
(ORGANISMI MARINI)
CALCIO
NECESSARIO MA NON A TUTTI
STABILIZZA LA PARETE
COMPONENTE DELLE ENDOSPORE
MICRONUTRIENTI
COBALTO
SINTESI DI VITAMINA B12
ZINCO
IN METALLOENZIMI E ALTRE
PROTEINE
MOLIBDENO
NELLA NITROGENASI E ALTRI
ENZIMI AZOTO-RIDUTTORI
RAME
IN ENZIMI DELLA RESPIRAZIONE
MANGANES
E
ATTIVATORE DI ENZIMI
NICKEL
NELLE IDROGENASI
monodermi
Il reticolo di peptidoglicano lascia
passare acqua e soluti
La barriera idrofobica è la
membrana interna
didermi
acqua + soluti,
idrofile fino a
600-700 Da
PORINE
La prima barriera idrofoba è la OM
Eccezioni:
per B12 (energizzata?)
Per disaccaridi
Per chelati organici del ferro
Le molecole idrofobe e quelle idrofile di grandi dimensioni
devono essere trasportate attraverso IM
TRASPORTO PASSIVO
Lungo il gradiente
DIFFUSIONE SEMPLICE
SISTEMA PTS
(traslocazione di gruppo)
Il substrato è modificato:
Non c’è gradiente
DIFFUSIONE FACILITATA
TRASPORTO ATTIVO
Contro gradiente
Non modifica il substrato
ASSOCIATO A IONI
ABC
DIFFUSIONE SEMPLICE
POCHI NUTRIENTI
O2 CO2 H2O
DIFFUSIONE FACILITATA
da permeasi situate nella
membrana plasmatica
TRASPORTO ATTIVO
trasportatori “ABC”
(ATP-Binding Cassette)
ASSOCIATO A IONI
SPENDE ENERGIA
NON MODIFICA IL SOLUTO
DESTINATO AI SOLUTI DA
ACCUMULARE NEL CITOPLASMA
TRASPORTATORI “ABC”
Il substrato si attacca alla proteina
di legame
proteina che lega il
substrato
proteina che trasduce energia
idrolizzando ATP
ATP
viene trasferito al trasportatore che
cambia conformazione
ADP
E lo trasporta all’interno della cellula, a
spese dell’ATP
trasportatori ABC: transmembranari
(sfruttano l’energia di membrana)
12 alfa-eliche
uniporto
X
H+
simporto
X
H+
X
antiporto
uniporto
simporto
antiporto
PER TRASLOCAZIONE DI GRUPPO
(sistema PTS)
non c’è gradiente: la molecola all’interno della
cellula è diversa da quelle all’esterno
effettuata da proteine
(fosfotransferasi) localizzate
nella membrana
CHE MODIFICANO
(FOSFORILANO)
IL SUBSTRATO DURANTE IL
TRASPORTO
La molecola trasformata non
può passare attraverso la IM
Il ferro è essenziale per quasi tutti i microrganismi
Ma in alcuni ambienti è molto scarso
!
Fe3+
Per esempio in mare è quasi assente: i batteri
marini hanno SIDEROFORI estremamente
efficienti
molecole chelanti, a basso peso
molecolare
Fe3+
complessano Fe3+ e lo cedono a un
recettore proteico per l’ingresso nella
cellula
Fe3+
dove viene ridotto a Fe2+
3+
Fe2+
Fe
in altri ambienti è molto ben protetto
Fe Fe
Fe
transferrina
Fe
lattoferrina
I batteri patogeni devono riuscire a strappare il ferro a
proteine eucariotiche, con altissima affinità
SECREZIONE
Esterno
Molte proteine devono poter essere uscire dalla
cellula per svolgere la loro funzione
Far passare loro la membrana
citoplasmatica è compito dei
sistemi di secrezione
-SEC (sistema generale di
traslocazione)
-TAT /twin arginine traslocase
Periplasma
SEC: già prima della fine della traduzione, la preproteina è legata da una chaperonina
(SecB) e raggiunge l’apparato Sec in conformazione idonea alla traslocazione
periplasma
Le traslocasi Sec(YEG) formano
un canale transmembrana
le proteine destinate alla secrezione
sono avviate al traslocone dalle SRPs
Nei batteri didermi sistemi il passaggio attraverso la membrana esterna è mediato da
sistemi di secrezione specializzati dipendenti o meno da Sec/Tat
SEC-dipendenti
T2SS, T5SS (T4SS)
SEC-indipendenti
T1SS T3SS (T4SS)
Traslocano proteine che
sono state portate al
periplasma da SEC/TAT
Traslocano proteine
direttamente senza
l’intervento di SEC
T1SS SEC-INDIPENDENTE: le proteine sono
trasportate in un singolo passo
forma un canale semplice e continuo che
attraversa la IM e la OM
trasporta molecole diverse da ioni
a proteine fino a 900 kDa
periplasma
un fattore di virulenza esportato
da T1SS è l’emolisina di E. coli
T2SS: la proteina viene avviata oltre la membrana esterna
da un complesso di 12-14 proteine che formano un poro
La maggior parte delle tossine di tipo A/B è esportata
attraverso il sistema di secrezione di tipo II
periplasma
ALTRI SISTEMI DI SECREZIONE SONO TIPICI DEI BATTERI
PATOGENI GRAM-NEGATIVI
T5SS (AUTOTRASPORTATORI) proteine
traslocate da Sec o Tat nel periplasma
Inseriscono nella OM l’estremità C-terminale
che permette l’uscita della zona centrale
della proteina (dominio “passeggero”)
Formando una struttura a “barile”
(beta-barrel)
periplasma
T3SS (SEC-INDIPENDENTE) :
tipico di alcuni patogeni didermi
trasloca le proteine (effettori) non processate,
direttamente nel citoplasma della cellula ospite
I determinanti si trovano spesso
all’interno di PAI, a volte su plasmidi
i T3SS sia attivano al contatto
con la cellula dell’ospite
Gli effettori passano attraverso un ago
macromolecolare formato dalle proteine strutturali
periplasma
I TTSS si sono evoluti dal sistema di
esportazione dei monomeri di flagellina
L
P
S
M
T3SS
T4SS può traslocare anche DNA
Trasloca proteine direttamente da citoplasma a citoplasma
(come i T3SS)
Ma può traslocare anche proteine
portate nel periplasma da Sec
Attraverso componenti
comuni al T2SS
periplasma
Cellula ospite
i sistemi di tipo IV derivano dai sistemi di
coniugazione
pilo
L’ago molecolare ha la
struttura dei pili di tipo IV
Un esempio di tossina secreta attraverso
questo sistema è CagA di Helicobacter pylori
monodermi
Il reticolo di peptidoglicano lascia
passare acqua e soluti
La barriera idrofobica è la
membrana interna
didermi
acqua + soluti,
idrofile fino a
600-700 Da
PORINE
La prima barriera idrofoba è la OM
Eccezioni:
per B12 (energizzata?)
Per disaccaridi
Per chelati organici del ferro
Le molecole idrofobe e quelle idrofile di grandi dimensioni
devono essere trasportate attraverso IM
TRASPORTO PASSIVO
Lungo il gradiente
DIFFUSIONE SEMPLICE
SISTEMA PTS
(traslocazione di gruppo)
Il substrato è modificato:
Non c’è gradiente
DIFFUSIONE FACILITATA
TRASPORTO ATTIVO
Contro gradiente
Non modifica il substrato
ASSOCIATO A IONI
ABC
DIFFUSIONE SEMPLICE
POCHI NUTRIENTI
O2 CO2 H2O
DIFFUSIONE FACILITATA
da permeasi situate nella
membrana plasmatica
TRASPORTO ATTIVO
trasportatori “ABC”
(ATP-Binding Cassette)
ASSOCIATO A IONI
SPENDE ENERGIA
NON MODIFICA IL SOLUTO
DESTINATO AI SOLUTI DA
ACCUMULARE NEL CITOPLASMA
TRASPORTATORI “ABC”
Il substrato si attacca alla proteina
di legame
proteina che lega il
substrato
proteina che trasduce energia
idrolizzando ATP
ATP
viene trasferito al trasportatore che
cambia conformazione
ADP
E lo trasporta all’interno della cellula, a
spese dell’ATP
trasportatori ABC: transmembranari
(sfruttano l’energia di membrana)
12 alfa-eliche
X
uniporto
X
H+
simporto
X
X
antiporto
H+
UNIPORTO
1
2
SIMPORTO
1
2
antiporto
1
2
3
4
PER TRASLOCAZIONE DI GRUPPO
(sistema PTS)
non c’è gradiente: la molecola all’interno della
cellula è diversa da quelle all’esterno
effettuata da proteine
(fosfotransferasi) localizzate
nella membrana
CHE MODIFICANO
(FOSFORILANO)
IL SUBSTRATO DURANTE IL
TRASPORTO
La molecola trasformata non
può passare attraverso la IM
Il ferro è essenziale per quasi tutti i microrganismi
Ma in alcuni ambienti è molto scarso
!
Fe3+
Per esempio in mare è quasi assente: i batteri
marini hanno SIDEROFORI estremamente
efficienti
molecole chelanti, a basso peso
molecolare
Fe3+
complessano Fe3+ e lo cedono a un
recettore proteico per l’ingresso nella
cellula
Fe3+
dove viene ridotto a Fe2+
3+
Fe2+
Fe
in altri ambienti è molto ben protetto
Fe Fe
transferrina
I batteri patogeni devono riuscire a strappare il ferro a
proteine eucariotiche, con altissima affinità
lattoferrina
La velocità di crescita è influenzata anche dai fattori abiotici
Anche per i microrganismi il cibo
non è tutto...
...
Ci vogliono anche le condizioni fisiche
o chimiche adatte
temperatura
pH
Terreno
disidratato
Pressione
osmotica
Idrostatica..
i microrganismi tollerano
variazioni molto ampie di questi
fattori
Adottando strategie che permettono la vita anche in
ambienti caratterizzati da condizioni estreme
TEMPERATURA
Dove c’è acqua possono
esserci microbi
PSICROFILI
0-20
TERMOFILI
40-70
MESOFILI
8-46
IPERTERMOFILI
ESTREMI
90-115
IPERTERMOFILI
65-95
TEMPERATURA
Vr = massima
Optimum
Tasso di crescita
Vr aumenta
Massimo
Minimo
temperatura
OPTIMUM
MASSIMA
MINIMA
ALTA
Denaturazione delle proteine
Collasso della M.I.
termolisi
NORMALE
BASSA
Gelificazione della M.I.
I trasporti rallentano
la crescita si ferma
Thermus aquaticus
comune negli ambienti idrotermali: optimum di
temperatura attorno a 70 C
Gli enzimi termoresistenti di
Thermus aquaticus sono utilizzati
per applicazioni biotecnologiche
70°C
30°C
Proteine strutturali termostabili
enzimi attivi a temperatura alta
Lipidi termostabili (archibatteri)
Termofili estremi: topoisomerasi inversa
Introduce giri positivi
Chaperonine particolari e
abbondanti
Proteine protettive per il DNA
Magnesio (stabilizza il DNA
neutralizzando i fosfati)
Il limite minimo è correlato alle
modificazioni della capacità di
solvatazione dell’acqua
Psychromonas ingrahamii (-12 °C)
Le alte temperature uccidono le
cellule batteriche
Le basse temperature non uccidono ma un
passaggio brusco dal caldo al freddo (shock
termico) può uccidere i batteri
Altera le interazioni
idrofobiche
PRESSIONE
PRESSIONE
Pressione
1
400
500
Barofili estremi
Barofili moderati
Non barofili
Gli involucri esterni e la membrana, permeabili all’acqua
proteggono i batteri dallo schiacciamento
La pressione agisce impedendo che il
volume molecolare aumenti
Se la forma attivata ha
un volume MAGGIORE di
quella base l’enzima è
INIBITO dalla pressione
Forma base
Forma attivata
Se la forma attivata ha un
volume MINORE di quella
base l’enzima è FAVORITO
dalla pressione
Saccharomyces non cresce oltre le 8
atmosfere (quelle dello champagne)
I barofili estremi non crescono
sopra le 400 atmosfere
hanno una membrana particolarmente
ricca di acidi grassi insaturi
più fluida e meno soggetta a variazioni di
conformazione sotto pressioni elevate
Pressione osmotica
La quantità di acqua EFFETTIVAMENTE
disponibile in un substrato
Viene detta water-activity (Aw)
Ed è definita dal rapporto
pressione di vapore della sostanza/pressione di vapore dell’acqua pura
Aw = P/P0
I valori di Aw sono compresi tra 0 e 1
La maggior parte dei microrganismi
Necessita di Aw≥ 0,98
(valore dell’acqua marina)
Microrganismi alofili estremi riescono a
vivere fino a 0,75
1,0
0,99
0,90
ACQUA PURA
SANGUE
SCIROPPI
PROSCIUTTO
0,95
0,85
0,80
PANE
SALAMI
DOLCI DI FRUTTA
MARMELLATE
0,75
0,70
PESCE SALATO
GRANDE LAGO SALATO
CEREALI
FRUTTA SECCA
BATTERI
FUNGHI
Procarioti
ALOFILI
Soprattutto
archibatteri
I microrganismi che vivono in ambienti con bassa Aw “estraggono” acqua dal mezzo
circostante mantenendo inalterata la concentrazione salina interna
L’acqua non può essere
trasportata, deve entrare nella
cellula per diffusione
Lo scopo quindi deve essere raggiunto
giocando con la concentrazione e il
trasporto di ioni e soluti
I microrganismi alotolleranti sintetizzano o concentrano soluti
organici che non danneggino i processi biochimici interni
si tratta in genere di zuccheri (saccarosio, mannitolo,
glicerolo) o aminoacidi (prolina) e derivati (betaina) e
vengono definiti “soluti compatibili”
H2O
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
H2O
La concentrazione intracellulare dei soluti compatibili
richiama acqua all’interno della cellula
La maggior parte degli ambienti naturali hanno un
pH compreso tra 5 e 9
I batteri crescono in un
intervallo di 2-3 punti di pH in
cui è compreso il valore
ottimale per la crescita
NEUTROFILI
5,5 - 8
optimum
Il pH intracellulare deve
essere vicino alla neutralità
Limite minimo conosciuto: 4,6
(acidofili estremi)
optimum
optimum
Limite massimo conosciuto: 9,5
(basofili estremi)
1
ACIDOFILI
1 - 5,5
Æ
10
ALCALOFILI
8,5 - 11,5
Ambienti caratterizzati da pH estremi
Sorgenti acide
acido
Acidofili estremi
Acidofili
Acque acide di
miniera
neutrofili
Laghi alcalini
alcalofili
Alcalofili estremi
basico
I batteri acidofili si trovano soprattutto nelle
ACQUE ACIDE DI MINIERA
pH fortemente acido
Quando giacimenti di carbon fossile vengono aperti, la pirite
che si trova nel carbone e nelle rocce circostanti
A contatto con l’aria si ossida FeS2Æ H2SO4
LAGHI ALCALINI (soda-lakes)
Fortemente basici > pH 9
elevate concentrazioni di bicarbonato e soda caustica
I microrganismi alcalofili sono tutti procarioti
(soprattutto archibatteri, ma anche Bacillus e cianobatteri)
Devono pompare via gli ioni idrossile (OH-) che neutralizzerebbero i protoni
interni distruggendo il normale metabolismo che dipende dai gradienti protonici
le membrane di questi microrganismi sono modificate, per
combattere l’azione degli alcali che saponificano i grassi
OH-
OH-
I batteri possono vivere in un intervallo di pH
più vasto di quello tollerato dalle loro proteine
I meccanismi di efflusso ionico sono molto
efficienti per mantenere il pH interno
7
E. coli cresce tra pH
8
7
7,8
5,8
5,7
6
3,3
