Struttura Batteri 1 - Microbiologia Generale

Transcript

Caratteristiche
strutturali e funzionali
della cellula procariotica
MICROBIOLOGIA GENERALE C. Mazzoni 05/3
Forme di vari procarioti
Cocchi
Neisseria meningitidis - Gram-negative, coccus prokar
yote (dividing); causes meningitis
S treptococcus faecalis - coccoid prokaryote (dividing);
a pathogen causing skin andwound infections
Enterococcus faecium - Gram-positive, coccus
prokaryote (dividing); causes intestinal and skin / wound
infections.
S taphylococcus aureus - a pathogen that causes sinusitis,
food poisoning, toxic shock syndrome and skin and wound
infections (scarlet fever.)
Bastoncelli
E. coli - Gram-negative, facultatively anaerobic, rod prokaryote.
Part of human and animal microbiota. E. coli can cause urinary
tract infections, traveler's diarrhea and nosocomial infections.
Pseudomonas aeruginosa- causes skin infections, urinary
tract infections and septicemia.
Lactobacillus sp. - regular, nonsporing, Gram-positive, rod
prokaryote. Important in commercial lactic acid production
(food products). Human microbiota (oral cavity,vaginal tract
and intestine).
Bacillus megaterium, a large rod bacterium
Vibrio cholerae - Gram-negative, facultatively
anaerobic, curved (vibrio-shaped), rod prokaryote;
causes Asiatic cholera.
Haemophilus influenzae -Coccobacillus-shaped
Bacterium(causes meningitis/pneumonia),
Rhodococcus fascians - Gram-positive, filamentous prokaryote
that fragments into rod or coccoid shapes.
Actinomycete (Nocardioform).
S pirulina sp. - Gram negative, oxygenic, photosynthetic,
filamentous (spiral-shaped) cyanobacterium (prokaryote).
Dimensioni di vari
procarioti
DIAMETRI
Tra i più piccoli: 0.2 µm
Tra i più grandi: 50 µm
LUNGHEZZE
Tra i più piccoli: 0.2 µm
Tra i più grandi: 0.5 mm
Unità di misura
*
*
*
*
*
centi- (10-2)
milli- (10-3)
micro- (10-6)
nano- (10-9)
Ångstrom (10-8 cm., 0.1 nm)
Fig. 4.13
Batterio gigante
Epulopiscium fishelsoni
50µmX0,5mm
Fig. 4.12
Superficie Area vs. Volume
S = 3
r
V
•Lo scambio con l’esterno
aumenta con il diminuire
della taglia cellulare
•Cellule piccole !
metabolismo accelerato,
sviluppo rapido ed elevato
numero di cellule
Fig. 4.14
Cellula batterica
Strutture trovate in maniera
universale nei batteri
• Alcune strutture, come l'RNA, il DNA e le
proteine, sono presenti in tutti gli organismi
e quindi anche nei batteri. Inoltre tutti i
microbi possiedono una membrana
cellulare e, molti ma non tutti, hanno una
parete cellulare.
Doppio strato fosfolipidico
8nm
Fig. 4.15
Il doppio strato lipidico
• A causa della presenza nei fosfolipidi di una testa
idrofilica ed un coda idrofobica, quando si trovano in
soluzione acquosa tendono ad associarsi in un doppio
strato in modo da esporre le teste polari all’acqua, e le
code idrofobiche tra di loro. Questa formazione viene
definita “doppio strato lipidico”.
• Alcune proteine si trovano sia sulla superficie esterna,
interna e dentro la membrana, mentre altre sono associate
solamente all’esterno o all’interno. Spesso le proteine che
attraversano tutto il doppio strato lipidico sono coinvolte
nel trasporto o nella generazione di energia.
Fig. 4.17
•
Struttura della membrana citoplasmatica. Questo schema del modello a mosaico fluido della
struttura della membrana batterica mostra le proteine integrali immerse in un doppio strato lipidico.
Le proteine periferiche sono debolmente associate alla superficie di membrana. Le sferule
rappresentano le estremità idrofile dei fosfolipidi di membrana, mentre le code ondulate
rappresentano le catene idrofobe degli acidi grassi. Possono essere presenti altri lipidi di membrana
come gli opanoidi.
Stabilizzazione delle membrane
• La membrana citoplasmatica è stabilizzata dalle interazioni
idrofobiche e legami idrogeno tra lipidi vicini. Legami idrogeno
possono formarsi anche tra le proteine ed i lipidi di membrana.
• Le cariche negative sulle proteine possono formare interazioni
ioniche con cationi divalenti come Mg+2 e Ca+2.
• Alcune proteine si muovono entro il piano della membrana
mentre altre sono ancorate a strutture dentro o vicino la
membrana. Il risultato è che la membrana è praticamente fluida
con la consistenza di un olio. E’ stata quindi definita un
mosaico fluido: mosaico perché c’è un pattern definito, fluido
perché i lipidi sono liberi di muoversi lungo la membrana.
• Questa organizzazione conferisce alla membrana un certo
numero di proprietà che le consentono di svolgere molte
funzioni.
Caratteristiche della membrana
citoplasmatica nei procarioti
• assenza di steroli, ma presenza di molecole pentacicliche
simili agli steroli detti opanoidi. Gli opanoidi
probabilmente hanno la funzione di stabilizzare la
membrana batterica
• Spessore di circa 5-10 nm
• presenza di fosfolipidi
• Presenza di proteine integrali e periferiche
sterolo
colesterolo
opanoide diploptene
Molecole planari e rigide
Fig. 4.18
I lipidi nei Batteri e negli
Archaea hanno legami chimici
diversi
Estere - Batteri
Etere - Archaea
isoprene
Fig. 4.19
Fig. 4.20
Fig. 4.21
Funzioni della membrana
Separa il macchinario altamente organizzato della cellula dall’ambiente
esterno
Interazione con l’ambiente esterno: assunzione di sostanze nutritive e
eliminazione dei metaboliti di rifiuto
Individuazione dei segnali ambientali per la chemiotassi
Centro di attività metaboliche:
respirazione
fotosintesi
sintesi dei lipidi
sintesi dei costituenti parietali
IMPORTANTE: le membrane non sono una struttura statica, sono
sempre in movimento
Funzioni della membrana
Fig. 4.21
Fig. 4.22
Proteine della membrana plasmatica
" permeasi: responsabili del trasporto dei nutrienti
" enzimi biosintetici: catalizzano le reazioni terminali della
sintesi dei lipidi e di varie classi di macromolecole che
compongono la parete cellulare batterica
" proteine coinvolte nella generazione di ATP durante il
trasporto degli elettroni
" sulla membrana batterica sono presenti dal 10 al 20% delle
proteine totali della cellula
controllato
dall’energia associata
alla forza protonmotrice
modificazione chimica
della sostanza
trasportata controllata
dal fosfenolpiruvato
coinvolge proteine di legame periplasmatiche e
l’energia viene fornita dall’ATP
Fig. 4.23
Tipologie di trasporto
Fig. 4.24
Lac permeasi: symporter
Fig. 4.25
Traslocazione di gruppo: il sistema delle
fosfotransferasi
Fig. 4.26
Sistemi di trasporto ABC: ATP-BindingCassette
Fig. 4.27
Proteine di esportazione
•
•
•
•
•
Es. amilasi e cellulasi sono secrete nel mezzo esterno dove idrolizzano
rispettivamente amido e cellulosa
Necessità di traslocasi es. sistema Sec (secrezione)
Sequenza segnale: posta all’N-terminale, contiene residui carichi +
all’inizio, seguiti da una regione centrale con aminoacidi idrofobici e
da una regione con con residui polari
La selezione viene effettuata dalle particelle per il riconoscimento
del segnale (SRP, signal recognition particles) che nei batteri è
costituita da una proteina e una molecola di RNA 4,5S.
La SRP riconosce la proteina con il segnale e la rilascia in un
particolare complesso di membrana (Es. SecYEG)
(par. 4.7 e 7.16)
Membrane e antibiotici
• Alcuni antibiotici sono diretti contro le membrane
(Polimixina B e Gramicidina).
• L’uso di questi antibiotici deve essere limitato in
quanto anche noi possediamo un membrana
plasmatica, molto simile a quella dei procarioti.
• Per questo motivo, questi antibiotici devono essere
usati solo per uso topico e a basse dosi.
La parete delle cellule
procariotiche
• La parete cellulare è una delle parti più importanti della
cellula procariotica
• Ne condiziona la forma e protegge dalla lisi osmotica
• Può avere delle componenti importanti nella patogenicità
• Conferisce una certa protezione verso le sostanze tossiche
• Rappresenta il sito di azione di molti antibiotici
• La sua composizione fa reagire diversamente alla colorazione
di Gram, che può essere usata per la classificazione
Tecnica di colorazione Gram
(1884)
•
•
•
•
Colorazione con il cristal violetto
(colorante basico)
fissaggio con iodio
Decolorazione con acetone
(etanolo)
Colorazione con safraina:
– gram+: porpora
– gram-: rossi
•
Questa fase determina l’aspetto
differenziale della colorazione:
– i gram+ resistono all’azione
della decolorazione
trattenendo il cristal violetto
– i gram- perdono
completamente il colorante
La colorazione Gram
Fig. 4.4
La colorazione Gram
Fig. 4.4
La colorazione Gram
A
B
• A- Stafilococchi ( Gram+)
• B- E. coli (Gram -)
Gram+ e Gram- a confronto
Fig. 4.28
Peptidoglicano
•
•
Il
peptidoglicano
è
un
polimero formato da molte
subunità uguali. I componenti
base
sono
l’Nacetilglucosammina
(NAG),
l’acido
N-acetilmuramico
(NAM) e molti diversi
amminoacidi tra i quali
L’acido D-glutammico, la Dalanina e l’acido mesodiaminopimelico.
Normalmente nelle proteine si
trova la forma L degli
amminoacidi. I batteri usano i
D-amminoacidi per la sintesi
della parete cellulare. Le
racemasi sono gli enzimi che
convertono la forma L- in D- e
viceversa.
Fig. 4.30
acido diaminopimelico
lisina
Le catene delle subunità peptidoglicaniche
adiacenti sono unite per mezzo di un legame
trasverso tra i peptidi
Legami crociati del peptidoglicano. a) peptidoglicano di E. coli
(gram-), con legame crociato diretto. b) peptidoglicano di
Staphylococcus aureus (gram+).
a)
b)
NAM
NAG
NAM
L-Ala
NAG
L-Ala
D-Glu
D-Ala
DAP
DAP
D-Ala
D-Glu
D-GluNH2
L-Lys
y
l
G
ly
Gly -G
y
l
G
D-GluNH2
D-Ala Gly
L-Lys
L-Ala
NAM
D-Ala
L-Ala
NAG
NAM
NAG
• Gram+
• la parete è formata da un
unico strato omogeneo di
peptidoglicano, detto anche
mureina, dello spessore di
20-30 nm, posto al di fuori
della
membrana
citoplasmatica
• la parete è più sottile ed al
microscopio
elettronico
appare più liscia
• Envelope:
involucro
esterno per indicare tutte le
strutture
esterne
alla
membrana citoplasmatica,
compresa la parete e la
capsula
Caratteristiche della parete dei
batteri Gram +: gli acici teicoici
Gli acidi teicoici sono polimeri di alcoli
polivalenti (glicerolo e ribitolo) uniti da
legami fosfodiesterici. Gli amminoacidi,
come la D-Ala , e gli zuccheri, sono
attaccati in posizione 2 o 3 al glicerolo
(3 o 4 nel caso del ribitolo). Gli acidi
teicoici sono associati sia con il
peptidoglicano che con i glicolipidi della
membrana citoplasmatica (acidi
lipoteicoici).
Fig. 4.32
batteri Gram +: gli acici teicoici
• Sono responsabili della carica
negativa
sulla
superficie
cellulare e possono contribuire
al passaggio di ioni.
• Gli acidi teicoici che sono
strettamente legati ai lipidi
sono
chiamati
Acidi
lipoteicoici
• Nella maggior parte dei batteri
Gram+
le
pareti
non
contengono lipidi o proteine
(eccezioni:
corinebatteri,
nocardie, micobatteri)
Gram -
Figura 4.36
• Gram• la
parete
è
più
complessa: comprende
uno strato sottile (13nm)
di
peptidoglicano,
circondato
da
una
membrana esterna di 78nm di spessore
• Spazio periplasmatico:
spazio interposto tra la
m e m b r a n a
citoplasmatica e la
membrana esterna. In
questo spazio sono
presenti enzimi per
l’assunzione di nutrienti
Figura 4.36
batteri Gram • Il peptidoglicano contiene meno cross-link senza ponte
peptidico. La lipoproteina di Braun è legata in maniera
covalente al peptidoglicano ed alla membrana esterna con
dei residui idrofobici. Tramite questa proteina il
peptidoglicano è fortemente legato alla membrana esterna.
• La membrana esterna, gioca un ruolo importante nella
virulenza dei gram-. Questa membrana è costituita da un
doppio strato lipidico (come la membrana citoplasmatica),
contiene inoltre i lipopolisaccaridi (LPS). Nella membrana
esterna si distinguono due lati: il lato esterno, contenente i
lipopolisaccaridi, ed il lato interno verso il peptidoglicano.
batteri Gram-: i lipopolisaccaridi
Esterno
unità tetra o pentasaccaridiche e esosi
acido 2-cheto-3-deossiottonico KDO
eptosio
Figura 4.35
• I LPS contribuiscono a formare la carica negativa della superficie
batterica.
• La catena laterale O è una corta catena polisaccaridica che si
proietta dal nucleo verso l’esterno. Benché la catene laterali O
siano facilmente riconosciute dagli anticorpi dell’ospite, i batteri
modificando la natura delle catene laterali riescono ad evitare il
riconoscimento.
• Il lipide A è saldamente ancorato alla membrana esterna, mentre
la parte restante della molecola dell’LPS si proietta dalla
superficie verso l’esterno. Il nucleo polisaccaridico è legato al
lipide A. Il lipide A è un costituente della membrana esterna,
contribuisce a stabilizzare la struttura della membrana ed è spesso
tossico. I LPS possono agire come un endotossina e causare i
sintomi che caratterizzano le infezioni da gram- come Salmonella,
Shigella ed Escherichia.
batteri Gram-: la lipoproteina
mureinica
Lipoproteina mureinica
Nella regione C-term un residuo di
Lys si lega ad un residuo di acido
meso-amino-pimelico
La lipoproteina mureinica
non è essenziale per la
sopravvivenza
batteri Gram-: le porine
• PORINE
• Le porine sono
aggregate tre a tre e
formano dei canali
attraverso la membrana
che permettono il
passaggio per diffusione
di alcune piccole
molecole (600-700 Da).
• La sintesi delle porine è
strettamente regolata
batteri Gram-: lo spazio
periplasmatico
•
SPAZIO PERIPLASMATICO
•
Nello spazio periplasmatico
si trovano numerose
proteine con le più svariate
funzioni:
Enzimi idrolitici
proteine per il trasporto
(proteine leganti)
chemorecettori
enzimi detossificanti (es
beta-lattamasi)
protezione osmotica
•
•
•
•
•
Lipoproteina mureinica
Correlazione tra la struttura
della parete cellulare e la
colorazione Gram
• Nella colorazione si forma all’interno delle cellule un
complesso insolubile di cristal-violetto che viene estratto
dall’alcol nei batteri Gram- , ma non nei Gram+.
• La spessa parete dei Gram+ si disidrata in presenza di
alcol, i pori della membrana si chiudono ed il colorante
non può uscire.
• Nei Gram -, il sottile strato di peptidoglicano non riesce
ad ostacolare il passaggio del solvente quindi il complesso
cristal-violetto viene facilmente rilasciato.
Cellule senza parete
• lisozima: rompe i legami #1,4 tra l’ NAG e
NAM.
• La cellula priva di parete viene definita
protoplasto
• Terreni isotonici: possono prevenire la
rottura della cellula
Fig. 4.33
Pseudopeptidoglicano
N-acetiltalosaminurorico

Struttura Batteri 1 - Microbiologia Generale

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