Parete cellulare dei batteri

1674: Antonie van Leeuwenoek
osserva e descrive i microorganismi
SCOPERTA DEI MICRORGANISMI
Teoria generazione spontanea
Postulati di Koch
ALCUNE DATE IMPORTANTI DELLA MICROBIOLOGIA
Dal 384 a.C. al 1884
ALCUNE DATE IMPORTANTI DELLA MICROBIOLOGIA
Dal 1902 al 1997
http://archives.microbeworld.org/microbes/
http://archives.microbeworld.org/images/didyouknow/wash56k.mov
http://www.scuola.rai.it/articoli/lecellule-i-processi-di-mitosi-emeiosi/9187/default.aspx
I microbi
sono dotati di:
DIVISIONE BINARIA
• DIVERSITA’ MICROBICA i.e. LA SIMILARITA’ DI
TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI
•TUTTE LE CELLULE CODIFICANO INFORMAZIONE IN FORMA DI DNA.
•IL DNA E’ COMPOSTO DELLE STESSE 4 BASI (G, A, T, C), LO STESSO ZUCCHERO (Dribosio), ASSEMBLATO CON LA STESSA STRUTTURA CHIMICA.
•L’INFORMAZIONE NEL DNA E’ IMMAGAZZINATA USANDO UN CODICE UNIVERSALE A 3
LETTERE (e.g. AAA=Lys IN TUTTE LE CELLULE)
•LA SINTESI DEL DNA PROCEDE NELLO STESSO MODO IN TUTTI GLI ORGANISMI. LA
FUNZIONE DEL DNA E’ PORTATA AVANTI ATTRAVERSO LA TRASCRIZIONE IN RNA,
USANDO RNA POLIMERASI SIMILI.
• L’RNA è usato per dirigere la sintesi proteica basata
sull’informazione contenuta nel DNA
• L’RNA in tutte le cellule ha la stessa struttura - stesse 4 basi,
zuccheri. Tutte le cellule hanno gli stessi tipi di RNA:
ribosomale, transfer, messangero. Gli RNA sono molto simili in
sequenza e struttura in tutte le cellule. Le proteine sono
utilizzate nella maggior parte delle catalisi e delle sintesi.Le
Proteine in tutte le cellule usano gli stessi 20 amino acidi nella
stessa conformazione stereochimica, sintetizzati nello stesso
modo, e usano le stesse modificazioni post-traduzionali.
CON POCHE ECCEZIONI, TUTTE LE CELLULE – animali, vegetali e
microbiche - USANO LE STESSE VIE METABOLICHE:
•
Ciclo di Krebs/TCA
•
glicolisi
•
biosintesi degli amino acidi
•
biosintesi di purine e pirimidine
•
metabolismo dei lipidi
•
transporto di elettroni
•
stessi cofattori, e.g. ATP, NAD
•
ATP sintesi via gradiente di electroni
•
Tutte le cellule sono circondate da una membrana lipoproteica
che controlla l’assorbimento cellulare.
DIVERSITA’ DI EUCARIOTI E PROCARIOTI
Eucarioti
20 - 100 microns
nucleo
molti cromosomi lineari
organelli
diploidi
mitosi
riproduzione sessuale o gemmazione
citoscheletro
aerobi
multicellulari (alcuni uni)
cicli vitali complessi
mRNA poliadenilati
geni con introni
DNA con istoni
Procarioti
1 - 5 microns
no nucleo
1 cromosoma circolare
no organelli
aploidi
no mitosi
fissione binaria
no citoscheletro
anaerobi o aerobi
unicellulari
no differentiazione
no poliadenilati
no introni
DNA senza istoni
http://www.youtube.com/watch?v=OLl74grFLRA&list=TLoG
XJZPcJEW0
Plasmide
Il plasmide è una piccola molecola circolare di DNA
http://www.youtube.com/watch?v=rWu3TKUKXLA
Schaechter et al., MICROBIOLOGIA, Zanichelli
editore S.p.A. Copyright © 2007
MISURE DEI
MICRO
ORGANISMI
Dimensioni dei microrganismi
Dimensioni dei genomi
Organism
Domain
Chromosome size
(base pairs)
Predicted
polypeptide coding
regions
Mycoplasma genitalium
Bacteria
0.58 Million bp
470 proteins
Hemophilus influenzae
Bacteria
1.83 Million bp
1740 proteins
Methanococcus jannaschii
Archaea
1.66 Million bp
1682 proteins
Escherichia coli
Bacteria
4.64 Million bp
4288 proteins
Bacillus subtilis
Bacteria
4.21 Million bp
Streptomyces coelicolor
Bacteria
8.66 Million bp
Largest yeast chromosome
Eukarya
1.55 Million bp
Entire yeast genome
Eukarya
15 Million bp
Smallest human chromosome
(Y)
Eukarya
50 Million bp
Largest human chromosome (1)
Eukarya
250 Million bp
Entire human genome
Eukarya
3000 Million bp
ca. 6000
ca. 35000
STERILIZZAZIONE PER FILTRAZIONE
FILTRAZIONE
FILTRAZIONE
Colwell, Rita R. et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 1051-1055
Copyright ©2003 by the National Academy of Sciences
Reduction of cholera in Bangladeshi villages by
simple filtration
Colwell et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 1051-1055
Based on results of ecological studies demonstrating that Vibrio
cholerae, the etiological agent of epidemic cholera, is commensal
to zooplankton, notably copepods, a simple filtration procedure
was developed whereby zooplankton, most phytoplankton, and
particulates >20 m were removed from water before use.
Effective deployment of this filtration procedure, from
September 1999 through July 2002 in 65 villages of rural
Bangladesh, of which the total population for the entire study
comprised 133,000 individuals, yielded a 48% reduction in
cholera (P < 0.005) compared with the control.
Valutazione Multimodale della diversità microbica
DIVERSITA’ MORFOLOGICA
I BATTERI NON SONO SOLO
BACILLI, COCCHI E SPIRILLI,
MA ASSUMONO TUTTE LE
FORME E DIMENSIONI,
INCLUDENDO I FILAMENTI.
POSSONO ESSERE AMORFI,
PLEOMORFI (differenti forme
in differenit condizioni, o anche
nella stessa coltura), a forma di
stella, peduncolati.
LE CELLULE SONO
ORGANIZZATE IN FILAMENTI,
ROSETTE ETC.
LA MAGGIOR PARTE DEI
BATTERI SONO 1-5 microns in
DIAMETRO, MA POSSONO
VARIARE DA 0.1 A 660 microns
PER CELLULA.
Forme dei
batteri
Parete cellulare dei batteri
Funzioni principali:
- Struttura rigida che conferisce alla cellula la sua forma.
- Protezione da danni di tipo meccanico ed osmotico.
Rappresentata da uno strato uniforme denso e spesso
(da 10 a 80 nm).
Costituisce una parte notevole del peso secco della cellula
(10-40%).
Parete cellulare
Disposizione del peptidoglicano nella struttura parietale di gram positivi e negativi
Hans Christian Joachim Gram
Inventore della colorazione che ha
preso il suo nome 1884
Medico danese,
nato a Copenhagen nel 1853
COLORAZIONE DI GRAM
• I batteri che
trattengono il colore
appaiono viola al
microscopio
• Sono denominati
pertanto Gram
Positivi
• I batteri che non
trattengono il
colorante viola
appaiono rossi e
sono denominati
Gram Negativi
http://www.microbelibrary.org/ASMOnly/details.asp?id=2020&Lang=
The Gram Stain: An Animated Approach
Created using Macromedia Flash version MX2004
Parete cellulare
componenti del filamento
glicanico
Parete cellulare
Struttura del dimero peptidoglicanico
Parete cellulare
Legame crociato tra catene peptidiche del peptidoglicano
Parete cellulare
Struttura planare del peptidoglicano
http://microbelibrary.org/library/bacteria/3661-peptidoglycan-synthesisin-a-gram-positive-bacterium
http://www.microbelibrary.org/ima
ges/kaiser/menu_fl.html
Parete dei batteri GRAM positivi
Parete dei batteri GRAM positivi
gli acidi teicoici
Polimero di ribitolo P
Polimero di glicerolo P
Parete dei batteri GRAM negativi
Parete cellulare
Il peptidoglicano è presente in tutti i procarioti
Eccezioni
1. Assenza di peptidoglicano nella parete cellulare
Archea
Bacteria
Planctomyces
Chlamidia
2. Assenza di parete cellulare
Archea
Thermoplasma
Bacteria
Mycoplasma
negli EUCARIOTI
in un piccolo gruppo di alghe?
Archaebacteria
Assenza di peptidoglicano nella parete cellulare
Methanobacterium
Thermoproteus
a) eteropolisaccaridi (o pseudomureina)
b) proteine o glicoproteine
NB Thermoplasma: assenza di parete
Archaebacteria
Pseudomureina
(Methanobacterium)
ANTIBIOTICI
PEPTIDOGLICANO
http://www.microbelibrary.org/ima
ges/kaiser/pen_ceph_fl.html
http://microbelibrary.org/library/bacteria/3662-antibiotics-thatinhibit-bacterial-peptidoglycan-synthesis-how-they-work
Target di antibiotici in batteri
Endospore batteriche
Si formano quando le
condizioni diventano
inadatte alla replicazione
Notevole resistenza nel
tempo e a trattamenti
con:
- alte temperature
- solventi organici
Contengono dipicolinato di
calcio
Bacillus e Clostridium
http://www.microbelibrary.org/com
ponent/resource/laboratorytest/3134-endospore-stain
Endospore
•Exosporium (costituito da proteine)
•Coat (costituito da strati proteici) conferisce resistenza a enzimi, sost.
chimiche e disturbi meccanici.
•Cortex (struttura peptidoglicanica) mantiene lo stato disidratato del core
sporale, conferendo resistenza al
calore.
•Core (protoplasto sporale
circondato da normale parete
cellulare)
CAPSULE E STRATI MUCOSI
http://www.microbelibrary.org/com
ponent/resource/laboratorytest/3040-capsule-stain
Le componenti più esterne di molte cellule batteriche
Polisaccaridi – raramente
polipeptidi - escreti o
sintetizzati direttamente
all’esterno da cellule
microbiche
caratteristica genetica, ma
influenzata dalla disponibilità di
nutrienti
Funzioni principali della capsula
Protezione dal disseccamento
Deposito di materiali energetici
Mezzo di adesione a superfici e formazione di biofilm
Protezione della cellula da fattori ambientali ostili
Può avere un ruolo importante nella patogenesi
(fattore di virulenza)
Capsula
Diversità
strutturale delle
capsule in batteri
lattici
FLAGELLI
http://www.microbelibrary.org/component/resour
ce/laboratory-test/3159-bacterial-flagella-stain
http://www.microbelibrary.org/libra
ry/laboratory-test/3628-motilitytest-medium
Disposizione dei flagelli
CHEMOTASSI
Movimento batterico su superfici
 mediato da flagelli: sciamaggio (swarming) in Proteus,
Serratia, etc...
 mediato da pili: twitching (movimento a scatti)
(Pseudomonas)
 scivolamento (sliding) mediato da
 pili in Myxococcales, Cyanobacteria
 secrezione polisaccaridi (slime) in Cyanobacteria
 proteine di membrana in Cytophaga
PILI
Citoplasma batterico
• Mancano mitocondri, cloroplasti e sistema
vacuolare.
• Sono presenti ribosomi e granuli di varia natura,
costituiti da sostanze di riserva (lipidi -polimeri
dell’acido beta- idrossi-butirrico-, polisaccaridi,
zolfo (solfobatteri) e
ferro (ferrobatteri).
• È sede di processi biosintetici
• area citoplasmatica (di aspetto granulare e
ricca di RNA)
• area cromatica o nucleare (ricca di DNA)
• porzione liquida (sostanze nutritive in soluzione)
Il mesosoma funziona da guida nella
divisione cellulare, nella sintesi dei
lipidi e nel trasporto degli esoenzimi.
Membrana citoplasmatica
Membrana citoplasmatica
Funzioni principali
La membrana cellulare svolge diverse funzioni:
1- separa l'ambiente cellulare da quello esterno
2- permette lo scambio selettivo di sostanze tra
ambiente interno ed ambiente esterno
3- è il sito di molte funzioni metaboliche
respirazione, fotosintesi, etc...
4- ospita i recettori per comunicare con l’esterno
chemiotassi, quorum sensing, etc...
http://www.youtube.com/watch?v=ksSXrwGw4Jw
Sistemi di membrane in procarioti
Nitrosomonas
Planctomyces
1) Lipidi: 20-30%
2) Proteine: 60-80%
I lipidi (fosfolipidi, steroli, opanoidi) e le proteine sono nella
proporzione di 1:5 e costituiscono il 10-26% del peso secco
batterico. La struttura è costituita da un doppio strato di
fosfolipidi, da catene di acidi grassi, orientate in modo
perpendicolare al piano della membrana, e da due strati esterni di
proteine globulari.
Fosfolipidi
Meccanismi di trasporto di soluti attraverso le membrane
citoplasmatiche.
Membrana : barriera selettiva tra esterno e citoplasma.
Natura idrofoba del doppio strato lipidico responsabile
dell’elevato grado di permeabilità selettiva. I soluti, polari,
amimoacidi e zuccheri attraversano la membrana aiutate da
un meccanismo di trasporto. Acqua passa liberamente.
Meccanismi di trasporto: diffusione facilitata, trasporto
attivo, traslocazione di gruppo.
Processo mediati da trasportatori (carrier) indispensabili
perché la semplice diffusione consente di raggiungere una
concentrazione interna dei nutrienti uguale a quella
esterna, e non favorisce la crescita.
La diffusione passiva richiede un gradiente di concentrazione
(esterno + elevata): i composti liposolubili come il glicerolo
entrano in questo modo nella cellula.
Diffusione facilitata
Trasporto mediato da
carrier (proteine di
membrana = permesai).
Non richiede energia,
dipende da modificazioni
a carico della
conformazione del
carrier.
La concentrazione
interna dei soluti non
supera quella esterna.
Trasporto attivo
Meccanismo che permette
a un soluto di di entrare
nella cellula contro un
gradiente di
concentrazione. Coinvolte
proteine specifiche di
trasporto.
Vale per zuccheri,
aminoacidi, acidi organici,
ioni inorganici.
Richiede energia, derivata
da ATP.
Trasporto attivo che sfrutta l’energia originata dal gradiente
protonico esistente tra due superfici della membrana.
Traslocazione di gruppo
Processo di trasporto in cui il composto trasportato è modificato
chimicamente. Es. glucosio, fruttosio, purine, pirimidine, acidi grassi. Gli
zuccheri sono fosforilati a spese del fosfoenolpiruvato (PEP).
Schaechter et al., MICROBIOLOGIA, Zanichelli
editore S.p.A. Copyright © 2007
EUCARIOTI: dimensioni delle cellule
Muffe o micromiceti :
corpo vegetativo costituito
da filamenti di ca 5 μm
diametro (2-20 μm)
Attinomiceti (procarioti) : corpo
vegetativo costituito da filamenti di
< 1 μm diametro
Mitocondri