LA CELLULA BATTERICA Dimensioni Struttura Componenti fondamentali Componenti accessorie

Cosa sono i batteri? I batteri sono organismi semplici, unicellulari, procarioti, di piccole dimensioni. Anche se non possiamo vederli ad occhio nudo, rappresentano la forma vivente più diffusa sulla Terra!

PROKARYOTES EUKARYOTES BACTERIA ARCHAEA PLANTS FUNGI ANIMALS DIFFERENZE TRA CELL EUCARIOTICA E PROCARIOTICA 1. CELL PROCARIOTICA NON COMPARTIMENTALIZZATA 2. CELL PROCARIOTICA HA SOLO UN CROMOSOMA CIRCOLARE 3. RIBOSOMI PROCARIOTICI 70S (30S +50S). 4. MEMBRANA BATTERICA NON CONTIENE STEROLI

HABITAT DEI BATTERI

Si distinguono diversi tipi di microrganismi, sulla base dei rapporti che questi contraggono con l'ospite: SIMBIONTI: microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l'ospite senza provocare danni e instaurando un rapporto di reciproco beneficio COMMENSALI: microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l'ospite senza provocare danni PATOGENI: microrganismi che sono in grado di vivere a spese di altri organismi viventi provocandovi una malattia OPPORTUNISTI: microrganismi normalmente innocui, ma in grado di provocare malattie, anche gravi, in seguito ad un indebolimento delle difese dell'organismo

Anche l’uomo è abitato da milioni di batteri! BATTERI SIMBIONTI BATTERI COMMENSALI BATTERI PATOGENI

Dimensioni della cellula batterica

Dimensione batteri: la lunghezza dei più comuni batteri varia da 1 a 10 mm (mm = millesima parte del millimetro!) I batteri non si vedono ad occhio nudo, è necessario utilizzare un microscopio ottico

Classificazione dei batteri su base morfologica cocchi (sferici) bacilli (bastoncellari) spirilli (spiraliformi) vibrioni (a forma di virgola) spirilli cocchi bacilli vibrioni

Batteri sferici (cocchi) diplococchi streptococchi stafilococchi sarcine Batteri a bastoncino (bacilli) Bacilli coccobacilli

Classificazione dei batteri sulla base della temperatura di crescita Batteri termofili: crescono ad alte temperature (47-70°C, temp. ottimale: 50-55°C) Batteri mesofili: crescono a temperature intermedie (20-45°C, temp. ottimale: 30-37°C) Batteri psicrofili: crescono a basse temperature (0-25°C temp. ottimale: 20-25°C)

I batteri mesofili preferiscono temperature tra i 20 e i 40°C. I patogeni dell’uomo e degli animali sono mesofili, adattatisi, cioè, alla temperatura corporea (circa 37°C) che, anche nel corso di processi febbrili supera raramente i 40°C. Comunque, è importante sottolineare che i batteri mesofili non crescono a temperature di frigorifero, e poiché i microrganismi responsabili delle alterazioni degli alimenti sono appunto mesofili, si spiega l’utilizzo delle basse temperature per la conservazione dei cibi stessi.

I batteri termofili hanno la loro condizione di sviluppo a temperature superiori a 40°C. Gli habitat da cui si possono isolare tali batteri comprendono le sorgenti calde, i suoli tropicali, i sistemi di riscaldamento dell’acqua e le correnti calde di alcuni oceani. L’intervallo termico di questo gruppo è stato recentemente elevato fino 90°C, in quanto è stato dimostrato che alcuni batteri sono cresciuti in una sorgente calda a tale temperatura (e ancor più sorprendente è la notizia, non ancora verificata, di batteri cresciuti a temperature di 250°C).

È importante sottolineare che le molecole proteiche dei batteri termofili differiscono dalle altre in quanto non si denaturano con le temperature elevate. La termostabilità di queste proteine è intrinseca, dipende, cioè, dalla composizione e dalla sequenza degli amminoacidi, quest’ultima è responsabile della comparsa di legami forti quali ponti disolfuro covalenti, e anche di molti legami a idrogeno e di altri legami deboli, che stabilizzano la struttura delle proteine costitutive e degli enzimi.

Classificazione dei batteri sulla base della respirazione Batteri aerobi: utilizzano l’ossigeno Batteri anaerobi: non utilizzano l’ossigeno Batteri aerobi facoltativi: possono vivere anche in assenza di ossigeno, ma lo preferiscono

Classificazione dei batteri sulla base del nutrimento Batteri eterotrofi: si nutrono di composti organici Batteri autotrofi: sintetizzano autonomamente composti organici a partire da composti inorganici

I batteri hanno una struttura molto semplice:

Differenze eucarioti-procarioti Cellula eucariote Cellula procariote

CELLULA BATTERICA: 4 COMPONENTI FONDAMENTALI Nucleoide Ribosomi Membrana citoplasmatica Parete IN NEL CITOSOL OUT

Plasmidi Capsula Appendici filiformi Pili Flagelli STRUTTURE ACCESSORIE Plasmidi Capsula Appendici filiformi Pili Flagelli

CITOPLASMA Il citosol della cellula batterica è un gel colloidale che contiene l’80% di acqua È molto meno complesso rispetto a quello della cellula eucariote Contiene:  NUCLEOIDE  RIBOSOMI

NUCLEOIDE I BATTERI NON POSSIEDONO IL NUCLEO! Il DNA cromosomico batterico è immerso direttamente nel citosol, in forma superavvolta e spesso associato a particolari regioni della membrana citoplasmatica (MESOSOMI), dove risiedono gli enzimi per la replicazione batterica Contiene tutta l’informazione genetica del batterio RICORDA: il genoma dei batteri è aploide! NUCLEOIDE

RIBOSOMI Strutture deputate alla processo della TRADUZIONE (sintesi proteica da una molecola di mRNA) Sono molto più abbondanti dei ribosomi della cellula eucariote Hanno un coefficiente di sedimentazione di 70S (due subunità: 30S e 50S) RIBOSOMI RIBOSOMI

Ribosoma 70S e traduzione

MEMBRANA CITOPLASMATICA

PARETE BATTERICA

PEPTIDOGLICANI (1) Il costituente principale della parte batterica è un polimero chiamato peptidoglicano. I due monomeri che lo costituiscono sono amminozuccheri, chiamati N-acetilgucosammina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM), uniti tra loro mediante legami glicosidici beta 1-4 e beta 1-6. Ad ogni molecola di acido N-acetilmuramico sono legati 5 amminoacidi, di cui il 1° è la L-alanina, mentre gli ultimi due sono costituiti da D-alanina.

PEPTIDOGLICANI (2) Tanti monomeri NAG e NAM danno quindi origine ad una molecola di peptidoglicano, e più molecole di peptidoglicano si legano tra loro per formare la parete batterica. Tale associazione è garantita dall'azione di un enzima, chiamato TRANSPEPTIDASI, che dà origine ad un legame peptidico tra il terzo amminoacido di una catena ed il quarto della catena parallela.

BATTERI GRAM + PARETE COSTITUITA DA UNO STRATO SPESSO E OMOGENEO DI PEPTIDOGLICANI

BATTERI GRAM - LA PARETE E’ COSTITUITA DA UNO STRATO MOLTO SOTTILE DI PEPTIDOGLICANI E DA UNA MEMBRANA ESTERNA

MEMBRANA ESTERNA tipica ed esclusiva dei batteri GRAM - è costituita da proteine, fosfolipidi e lipopolisaccaridi. Essa è formata da due foglietti, di cui: - il più interno è di natura fosfolipidica l'esterno è arricchito di una molecola liposaccaridica ripetuta, il cosiddetto LPS (o lipopolisaccaride) Struttura di LPS

Colorazione di gram di un preparato cellulare Gram positivi

COLORAZIONE DI GRAM Fissaggio su vetrino Osservazione al microscopio

COLORAZIONE DI GRAM: STEPS

Plasmidi Capsula Appendici filiformi Pili Flagelli STRUTTURE ACCESSORIE Plasmidi Capsula Appendici filiformi Pili Flagelli

Plasmidi Molecole di DNA circolare bicatenario, indipendenti dal cromosoma batterico, si trovano nel citosol Geni non essenziali, ma utili; conferiscono vantaggi alla cellula batterica Possono codificare per fattori di virulenza (TOSSINE), o fattori di resistenza ad antibiotici Replicazione autonoma Una o più copie

Capsula Molti batteri secernono polimeri polisaccaridici che si depositano esternamente alla parete formando un rivestimento esterno detto CAPSULA funzioni: ADESIONE AI TESSUTI DELL’OSPITE, RESISTENZA ALLA FAGOCITOSI, PROPRIETA’ ANTIGENICHE Identificazione di batteri capsulati tramite inchiostro di china: le particelle di carbone non riescono a penetrare nella capsula e quindi i batteri appariranno circondati da un alone chiaro

Pili (fimbriae) Appendici proteiche rigide costituite da subunità di PILINA: Pili comuni: funzione adesiva, per colonizzare le mucose Pili sessuali: mediano l’adesione fra cellule batteriche durante il processo di coniugazione, per il trasferimento del fattore F

Flagelli Organelli locomotori per il movimento attivo della cellula batterica (es: risposta a nutrienti o a sostanze tossiche) Formati da subunità della proteina flagellina            MONOTRICHI              PERITRICHI LOFOTRICHI ANFITRICHI

DIFFERENZE FRA PILI E FLAGELLI:

LA CELLULA BATTERICA Crescita batterica Sporificazione Germinazione

CRESCITA BATTERICA SCISSIONE BINARIA processo di riproduzione di tipo asessuato in cui una cellula batterica si divide in due cellule figlie identiche

LE SPORE SPORA BATTERICA O ENDOSPORA: FORMA DI DIFFERENZIAMENTO CELLULARE, SI ORIGINA IN AMBIENTE DI CRESCITA SFAVOREVOLE SCOPO: FAVORIRE LA SOPRAVVIVENZA IN AMBIENTI SCARSAMENTE DOTATI DI ACQUA E NUTRIENTI PREROGATIVA DEI BACILLI GRAM+ (CARATTERISTICHE DEI GENERI BACILLUS E CLOSTRIDIUM)

Bacillus subtilis: forma vegetativa (rosso) Spore (verde)

PROPRIETA’ DELLE SPORE Le spore sono le forme di vita più resistenti conosciute: RESISTENZA AL CALORE RESISTENZA ALL’ESSICAMENTO (AMBIENTI ARIDI) RESISTENZA ALLE RADIAZIONI (UV E IONIZZANTI) RESISTENZA AGLI AGENTI CHIMICI TOSSICI SPORE DI CLOSTRIDI POSSONO RIMANERE VITALI PER PIU’ DI 500 ANNI

ACIDO DIPICOLINICO (DPA). (a) ACIDO DIPICOLINICO (DPA). (a). (b) Ruolo del Ca++ nella formazione di complessi di molecole DPA. Il DPA costituisce il 15% del peso secco della spora. Resistenza al calore

MORFOLOGIA DELLE SPORE FORMA SFERICA O ELLITTICA PARTE CENTRALE: CITOPLASMA + CROMOSOMA+ MEMBRANA CITOPLASMATICA PARETE ESTERNA CON PEPTIDOGLICANO STRATI CORTICALI DALL’INTERNO ALL’ESTERNO: CORTECCIA (RESISTENZA); COAT (2 STRATI PROTEICI); ESOSPORIO (AVVOLGE LA SPORA , FOSFOLIPOPROTEICA ) ASSENZA DI BIOSINTESI MACROMOLECOLARI E SCARSITA’ DI ACQUA NEL CITOSOL, ASSENTE CONSUMO DI OSSIGENO

SPORIFICAZIONE:7 STADI

Cellula batterica vegetativa Endospore Cycle, Step 0                                                                                                                          Cellula batterica vegetativa

Replicazione del patrimonio genetico Endospore Cycle, Step 1                                                                                                                          Replicazione del patrimonio genetico

Formazione del setto sporale asimmetrico Endospore Cycle, Step 2                                                                                                                          Formazione del setto sporale asimmetrico

Ciascun nucleoide è circondato da una propria membrana Endospore Cycle, Step 3                                                                                                                          Ciascun nucleoide è circondato da una propria membrana

Inizio della formazione della prespora Endospore Cycle, Step 4                                                                                                                          Inizio della formazione della prespora

La prespora è circondata da due membrane. Endospore Cycle, Step 5                                                                                                                          La prespora è circondata da due membrane. La molecola di DNA della cellula madre viene degradata

Endospore Cycle, Step 6 Tra le due membrane che circondano la spora inizia la sintesi della corteccia. Viene sintetizzato il dipicolinato di calcio

All’esterno della membrana più esterna vengono sintetizzate le tuniche Endospore Cycle, Step 7                                                                                                                          All’esterno della membrana più esterna vengono sintetizzate le tuniche

Endospore Cycle, Step 8                                                                                                                          Si forma anche lo strato più esterno detto esosporio. La porzione vegetativa della cellula madre viene degradata e la spora rilasciata.

6-10 ORE STEP 1: MATERIALE NUCLEARE SI ADDENSA LUNGO L’ASSE CELL STEP 2: SEGREGAZIONE DOVUTA A INVAGINAZIONE DEL MESOSOMA STEP 3: CELL MADRE AVVOLGE LA PRESPORA DETERMINANDO LA DOPPIA MEMBRANA STEP 4: SINTESI DELLA CORTECCIA STEP 5: SINTESI OUTER COAT STEP 6: LISI DELLA CELLULA MADRE STEP 7: RILASCIO DELLA SPORA LIBERA 6-10 ORE

GERMINAZIONE DELLA SPORA

                                                                             In presenza di appropriate condizioni ambientali è possibile il passaggio inverso da spora a cellula vegetativa

La cellula batterica può riprodursi per fissione binaria.                                                                                                                          La cellula batterica può riprodursi per fissione binaria.

LA CELLULA BATTERICA Genetica batterica Meccanismi di trasferimento genico orizzontale

GENOMA BATTERICO 1. cromosoma batterico 2. elementi accessori

Proprietà del cromosoma batterico:

CROMOSOMA DI ESCHERICHIA COLI

PLASMIDI: molecole di DNA circolare, ds replicazione autonoma lunghezza: 1 kbp - 150 kbp geni accessori che conferiscono vantaggi alla cellula batterica

Genetica batterica: trasferimento genico orizzontale Trasformazione : l’uccisione di una cellula non distrugge il DNA che mantiene le sue proprietà, nel caso penetri in una nuova cellula batterica. Coniugazione : due cellule batteriche entrano in contatto tramite una struttura detta sex pilus che permette il trasferimento di materiale genetico (es.:plasmidi). Trasduzione (conversione fagica) : il trasferimento genetico è mediato da batteriofagi; sono virus capaci di infettare i batteri, può essere specializzata o generalizzata. 75

TRASFORMAZIONE Acquisizione di DNA libero rilasciato da altre cellule batteriche COMPETENZA: una condizione transitoria di una popolazione batterica, durante la quale le cellule hanno la capacita’ di assumere DNA eterologo dall’esterno. Batteri competenti: sia Gram+ (Bacillus/Streptococcus) sia Gram- (Neisseria, Haemophilus)arar

CONIUGAZIONE La coniugazione e’ un processo attraverso il quale il materiale genetico (plasmidi) di un batterio viene trasferito da un batterio donatore ad un batterio ricevente previo contatto tra le due cellule.

PLASMIDE F

TRASDUZIONE La trasduzione e’ il trasferimento di materiale genetico da un batterio donatore ad un batterio ricevente mediante un vettore virale, il batteriofago. TRASDUZIONE GENERALIZZATA SPECIALIZZATA

TRASDUZIONE GENERALIZZATA

TRASDUZIONE SPECIALIZZATA