Albero filogenetico
(ottenuto mediante l’analisi delle sequenze dell’RNA ribosomiale)
Esempio di classificazione
batterica:
Treponema pallidum
Gli organismi viventi vengono suddivisi in tre linee evolutive (denominate domini). Due domini
(batteri e archebatteri) raggruppano i procarioti, uno gli eucarioti. All’interno di ogni dominio si
definiscono, in ordine gerarchico, una serie di raggruppamenti stabiliti in base alla comunanza
di caratteri genotipici e fenotipici (Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere, Specie). Alcune
caratteristiche degli archebatteri (es. assenza di peptidoglicano) li pongono come forma di
passaggio tra procarioti ed eucarioti.
Microbiologia : parte della biologia che si occupa dello studio dei microrganismi
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Misure usate :
1 millimetro (mm)
0.001 m = 10-3 m
1 micromentro (m)
0.000001 m = 10-6 m
1 nanometro (nm)
0.000000001 m = 10-9 m
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Microrganismi : organismi di dimensioni tali da non potere essere visti a occhio nudo. I
microrganismi vengono suddivisi in sei gruppi principali: protozoi, funghi e alghe
(appartenenti agli eucarioti), batteri e cianobatteri (appartenenti ai procarioti) e virus a
struttura “acellulare”
Eucarioti = con nucleo e membrana nucleare, architettura cellulare simile a quella degli
organismi pluricellulari, di dimensioni comprese fra 2-25 m :
Alghe (fotosintetiche) Protozoi Funghi
Procarioti = il materiale genetico non è racchiuso da membrana nucleare.
Batteri = unicellulari, di varie forme comprese fra 0,3-2 m.
Virus = privi di qualsiasi struttura cellulare, di dimensioni comprese fra i 20-300nm, visibili
solo al microscopio elettronico, struttura molto semplice, si possono riprodurre solo all’interno
di una cellula.
Esistono anche agenti sub-virali come i viroidi (costituiti solo da RNA) e prioni (costituiti solo
da proteine)
Confronto fra cellula procariotica e eucariotica
Confronto tra procarioti ed eucarioti
MORFOLOGIA DELLA CELLULA BATTERICA
DIMENSIONI: ~ 0.2 - 2 m di larghezza - ~ 2 - 8 m di lunghezza
FORME: Cocco, Bacillo, Vibrione, Spirillo, Spirocheta
RAGGRUPPAMENTI: Diplococchi, Diplobacilli, Streptococchi, Streptobacilli,
Stafilococchi
COLORAZIONE DI GRAM
In base alla colorazione di Gram i
batteri si dividono in due gruppi:
Gram+ e Gram-. Al termine della
colorazione
alcuni
batteri
risulteranno colorati in violetto
(Gram-positivi) ed altri in rosso
(Gram-negativi). Lo spesso strato
di peptidoglicano dei Gram+
trattiene il cristal-violetto anche
dopo la decolorazione con alcool,
mentre il decolorante disperde la
membrana esterna e rimuove il
colorante dal sottile strato di
peptidoglicano dei Gram-. La
Gram-positività e
la
Gramnegatività si accompagnano ad
una
differente
architettura
molecolare delle strutture cellulari
che si riflettono anche nel
meccanismo dell’azione patogena
Architettura della cellula batterica
► Assenza di compartimenti intracellulari separati da membrana.
► Non c’è nucleo, ma NUCLEOIDE = zona della cellula
dove è localizzato il DNA genomico (che contiene tutta
l’informazione genetica essenziale per la cellula
batterica). Una sola molecola di DNA, bicatenario,
circolare, strettamente raggomitolata e direttamente
immersa nel citoplasma (lunga circa 1400 µm, 3x109
daltons in E. coli).
► PLASMIDI = piccole molecole di DNA circolare, con
replicazione autonoma, presenti nel citoplasma, con
geni non essenziali (es. resistenza a farmaci,
coinvolti in meccanismi di scambio genetico,
produzione di tossine, ecc).
Membrana plasmatica
•
•
Formata da un doppio strato fosfolipidico, più flessibile della membrana
eucariotica perché mancano gli steroli, come il colesterolo.
I fosfolipidi hanno una struttura assimetrica, con una estremità polare (o
testa) e una non polare (o coda), per cui sono detti anfipatici. Le estremità
polari sono idrofile, mentre quelle non polari sono idrofobiche, si trovano
all’interno e tendono ad associarsi fra loro. Vi sono inserite diverse proteine
(trasporto di prodotti e nutrienti; enzimi della catena respiratoria; ecc.).
Funzioni:
√ barriera selettiva: lascia passare per diffusione passiva (gradiente di
concentrazione) solo piccole molecole: H2O, O2, CO2, zuccheri
semplici, e alcune sostanze liposolubili;
√ sistemi di trasporto attivo (trasferimento ad opera di proteine);
√ produzione di energia (enzimi che catalizzano reazioni chimiche, es.
produzione di ATP);
√ processi biosintetici (es. sintesi di peptidoglicano, replicazione).
Meccanismi di trasporto dei
nutrimenti attraverso la
membrana citoplasmatica:
A) Diffusione passiva
B) Diffusione facilitata
C) Trasporto attivo
CITOPLASMA = costituenti chimici comuni alle altre cellule (proteine,
acidi nucleici, carboidrati, lipidi, ecc). Mancano organuli. Ribosomi
70S (2 subunità, 50S e 30S). A volte presenti inclusioni
citoplasmatiche di varia natura (per lo più materiale di riserva, come
granuli di glicogeno, amido e polifosfati).
Ribosomi procariotici
Inclusioni citoplasmatiche
La Parete Batterica
E’ un “contenitore” rigido che racchiude la cellula batterica e ne
condiziona la forma.
Funzioni più importanti:
1. Impedire che le cellule batteriche si rompano per effetto della
pressione osmotica (maggiore dentro alla cellula che
all’esterno).
La maggior parte dei batteri vive in mezzi ipotonici (=la concentrazione dell’acqua è
maggiore che all’interno della cellula). L’acqua entrerebbe fino ad uguagliare le
concentrazioni interna ed esterna e la cellula si rigonfierebbe e scoppierebbe (“lisi
osmotica”). La parete resiste alla pressione dell’acqua ed impedisce il rigonfiamento.
2. Altre funzioni importanti sono la protezione della membrana
plasmatica e dell’ambiente cellulare da molecole idrofobiche o
da sostanze dannose (es. tossine citolitiche, DNAsi, Proteasi,
Lipasi, ecc.) e la regolazione dell’entrata dei nutrienti.
Parete cellulare
Il componente fondamentale della parete è un polimero chiamato Peptidoglicano,
formato dalla ripetizione di unità strutturali (monomeri). L’unità strutturale è formata
da due carboidrati azotati: la N-acetilglucosamina (NAG) e l’acido
N-acetilmuramico (NAM). NAG e NAM sono legati fra di loro da un legame , 1-6. Al
gruppo carbossilico del NAM è legato un pentapeptide, dove gli ultimi a.a. sono due
D-alanine. Una D-alanina viene persa durante la sintesi del peptidoglicano.
Nel polimero peptido
glicano , il NAM di una
unità
strutturale
è
legato
alla
NAG
dell’unità
successiva
mediante un legame ,
1-6. I diversi polimeri
lineari di peptidoglicano
sono collegati tra loro
mediante
legami
peptidici fra il 3° aa di
una catena ed il 4° aa
della catena parallela.
In alcuni Gram +
questo
legame
è
intervallato da una
pentaglicina.
Schema della disposizione delle
varie
unità
monomeriche
nelpolimero peptidoglicano
Collegamento
di
polimeri
adiacenti
di
peptidoglicano: A) mediante legame diretto tra i
tetrapeptidi, B) attraverso un ponte pentaglicinico
Struttura della parete di un
gram+ con strati sovrapposti
di peptidoglicano
Gram +
Gram -
Differenze fra batteri Gram+ (a sinistra) e Gram- (a destra)
Differenze negli involucri esterni dei Gram+ e Gramnei Gram+ la parete è uniforme, spessa 20-80 nm;
nei Gram- la parete è più sottile (10nm) ma più complessa essendo
dotata di una membrana esterna.
Parete dei Gram+
La parete è formata da molti strati di peptidoglicano, intersecati da acidi
teicoici
Gli ac. teicoici sono altamenti antigenici ed essenziali per legare alla superficie cellulare
ioni + (es. Mg++) necessari al funzionamento degli enzimi di membrana. Ciò consente ai
Gram+ di tollerare concentrazioni saline più elevate dei Gram- (vedi terreni selettivi).
La parete dei Gram+ è molto polare (cariche degli Aa del peptidoglicano e
del fosfato degli acidi teicoici) e permeabile a molecole idrofile (es.
zuccheri, aminoacidi).
Colorazione di Gram = cristalvioletto e iodio sono idrofili e penetrano. Il complesso
cristalvioletto/iodio è idrofobico e non può riattraversare la parete.
Struttura degli acidi teicoici dei batteri gram-positivi
Gli acidi teicoici sono
polimeri di alcool polivalenti
(glicerolo
e
ribitolo)
esterificati
con
acido
fosforico cui possono legarsi
numerosi monosaccaridi e/o
aminoacidi diversi
Parete dei GramI Gram- sono caratterizzati da una seconda membrana cellulare (membrana
esterna) al di fuori della parete.
MEMBRANA ESTERNA:
Diversa dalla membrana citoplasmatica (membrana interna) in quanto è una
struttura bilaminare asimmetrica con un foglietto interno di natura fosfolipidica e un
foglietto esterno formata da un lipopolisaccaride (LPS).
Membrana esterna e parete sono collegate da lipoproteine (proteine di
Braun) e la parete è priva acidi teicoici.
La presenza di lipidi nella membrana esterna non consentirebbe il
passaggio di molecole idrofiliche, per cui sono presenti:
 canali (“porine”) che consentono diffusione passiva di piccole
molecole
 proteine carriers per molecole più grosse.
PERIPLASMA = spazio fra la membrana plasmatica interna e
quella esterna.
Ha la funzione di racchiudere in uno spazio limitato proteine ed
enzimi con funzioni biologiche (es. che degradano i nutrienti, o
detossificanti, o proteine di trasporto).
I batteri Gram- sono insensibili ad alcuni antibiotici ed in particolare a quelli che
impediscono la sintesi del peptidoglicano, in quanto questi farmaci difficilmente
riescono ad attraversare la membrana esterna ed inoltre nello spazio periplasmico
sono presenti enzimi che degradano gli antibiotici.
LPS consiste di tre parti:
 Una parte lipidica all’interno (lipide A)
 Una porzione polisaccaridica centrale (core)
 Una lunga catena polisaccaridica esterna (Antigene O)
Il lipide A possiede un’azione tossica e costituisce l’endotossina dei
Gram-
Capsula, glicocalice, strato mucoso
• Si tratta di rivestimenti, esterni alla parete, formati da
sostanze secrete dai batteri, generalmente polisaccaridi.
1. Il rivestimento costituito da polimeri, che formano uno strato
denso ben definito attorno alla cellula è noto come capsula.
2. La rete a trama larga di fibre polimeriche è nota come
glicocalice o slime e favorisce la formazione del biofilm
3. Una massa diffusa di fibre polimeriche apparentemente
distaccata dalla cellula batterica prende il nome di strato
mucoso
La Capsula
1. Involucro mucoso più esterno, amorfo, costituita
generalmente da polisaccaridi, che riveste numerosi
batteri, sia Gram+ che Gram-.
2. Funziona da adesina favorendo l’adesione dei batteri a
specifici tessuti
3. E’ un fattore di virulenza tipico di alcuni batteri patogeni
poiché protegge i batteri dalla fagocitosi da parte dei
macrofagi e dall’azione degli anticorpi presenti in circolo
4. Impedisce l’azione di antibiotici (assorbe il farmaco
impedendogli di raggiungere a concentrazioni ottimali le
molecole bersaglio).
La capsula non è una struttura essenziale e la sua presenza
dipende dal mezzo in cui i batteri crescono.
Di solito i batteri patogeni sono capsulati in vivo, ma tendono a
perdere la capsula in vitro.
La presenza della capsula si evidenzia mediante colorazione
negativa con inchiostro di china. I batteri con capsula hanno un alone
chiaro non penetrato dall’inchiostro.
Il glicocalice
Componente essenziale nella composizione di “biofilm”. Il biofilm viene
definito come una comunità di batteri inclusi in un substrato di polimeri
organici che aderisce a una superficie naturale o artificiale. Favorisce
l’adesione dei batteri fra di loro e alla superficie di cellule e di tessuti o di
materiale inanimato. La formazione del biofilm verrà descritta nella parte
riguardante “patogenicità e virulenza”.
glicocalice
biofilm
FLAGELLI
I batteri (soprattutto quelli di forma cilindrica) possono avere 1 o più
flagelli.
Originano dalla membrana plasmatica e si estendono 15-20 m dalla
superficie.
Responsabili di:
► Motilità = organi di propulsione, ruotano velocemente (come
un’elica) da 10 a 100 giri/sec, in senso orario o antiorario.
► Chemiotassi = movimento stimolato dalla presenza di sostanze;
i batteri si raggruppano nella zona che presenta condizioni
ottimali per il loro metabolismo.
C. positiva = “richiamo” esercitato da zuccheri, aminoacidi, ecc.
C. negativa = “fuga” da sostanze dannose, es. acidi, alcoli.
Chemiorecettori periplasmatici o di membrana danno le informazioni ai flagelli.
Fonte di energia = non ATP, ma gradiente elettrochimico di protoni.
Fotografia al Microscopio Elettronico di
Salmonella typhimurium (16.000 X). Il
batterio in divisione presenta circa 100 pili e
12 flagelli
(a) Monotrichi
(b) Anfitrichi
(c) Lofotrichi
(d) peritrichi
Chemiotassi batterica
Struttura del flagello
PILI e Fimbrie
Appendici filamentose diverse dai flagelli. Presenti soprattutto nei
Gram-, 100-300 in numero, lunghi 0.5-6 µm (i pili F raggiungono i 20
µm).
Pili comuni o fimbrie = più numerosi e piccoli, sono organi di
ancoraggio: (adesine).
► Aderiscono ai tessuti e condizionano la patogenicità Sono molto
specifici nell’adesione perché interagiscono solo con alcuni
zuccheri specifici.
► Incrementano la superficie cellulare attiva, potenziando attività di
membrana (es respirazione, utilizzo di nutrienti, ecc).
► Negli stipiti patogeni di Enterobatteriaceae hanno la capacità di
aderire a varie superfici mucose ed a materiale inerte (es.protesi)
e favoriscono la formazione di “biofilm”
Pili sessuali o di coniugazione = sono meno numerosi (di solito
meno di 10 per cellula), più lunghi e più larghi. Codificati da fattori
extracromosomici (plasmidi) intervengono nei processi di scambio
genetico fra batteri.
Fimbrie
a
Pili e fimbrie. (a) Escherichia coli con
Fimbrie e flagelli; (b) due Escherichia coli
Connessi da un pilo di coniugazione
b
Flagelli