Questo strato ricco in polisaccaridi viene definito GLICOCALICE Il glicocalice Molti microrganismi secernono sostanze mucose costituite generalmente da polisaccaridi e anche proteine. Questo strato ricco in polisaccaridi viene definito GLICOCALICE Il Glicocalice cambia di composizione chimica da specie a specie ed è tipico per ogni specie sia lo spessore che la rigidità. CAPSULA è un glicocalice rigido organizzato in fitta matrice che non permette passaggio di particelle (inchiostro di china) STRATO MUCOSO è un glicocalice è di tipo deformabile più sottile debolmente adeso alla parete. Vien definito anche SLIME o EPS ( extracellular polysaccarides).

Glicocalice è un importante fattore di aderenza Funzione del glicocalice Gli strati polisaccaridi esterni svolgono un ruolo importante nell’interazione del batterio con l’ambiente esterno. Batteri senza glicocalice sono vitali Glicocalice è un importante fattore di virulenza In Streptococcous pneumoniae i batteri non capsulati non sono patogeni in quanto la capsula inibisce inibisce i processi di fagocitosi dei batteri da parte dei macrofagi Glicocalice è un importante fattore di aderenza Streptococcus mutants , in presenza di destrosio produce una capsula polisaccaridica che consente l’attacco del batterio allo smalto dei denti. L’acido prodotto dalla fermentazione del saccarosio corrode lo smalto dentale Glicocalice svolge un ruolo nella resistenza all’essiccamento in quanto è in grado di assorbire H2O .

Colorazione tramite Quellung ( o rigonfiamento). Capsula di Streptococcus pneumoniae, che costituisce un importante fattore di virulenza è difficilmente identificabile con tecniche classiche di contrasto. Con questa tecnica ( quellung) possono essere identificate mediante anticorpi specifici per la capsula

Vi sono capsule di natura proteica. La gran parte delle capsule è di natura polisaccaridica : possono essere costituite da OMOPOLIMERI / composti da unità identiche di polisaccaridi come destrani ( polimeri del glucosio) o levani ( polimeri del fruttosio). ETEROPOLIMERI come acido ialuronico ( in Streptococcus pyogenes consiste di N-acetilglucosamina e acido glicuronico) Vi sono capsule di natura proteica. In B. anthracis solo acido D-glutammico con gli AA uniti tramite gruppo g- carbossilico

Colorazione con inchiostro di china che fa evidenziare la capsula definita colorazione negativa in quanto lo sfondo è colorato e la capsula non facendo penetrare il colorante appare

A differenza delle catene polisaccaridiche dell’’antigene O del LPS che sono legate covalentemente all’LPS, le catene di zuccheri che costituiscono la capsula sono inseriti nella membrana esterna ma non sono legati all’LPS. I carboidrati presenti nella membrana esterna dei Gram- che costituiscono l’antigeno O e la capsula ( K) sono delle lunghe catene di zuccheri con una composizione estremamnte variabile.

I mutanti privi di capsula formano colonie rugose R (rough). La presenza della capsula conferisce alla colonia una morfologia liscia S (smooth). I mutanti privi di capsula formano colonie rugose R (rough). Nei batteri Gram- la capsula è costituita essenzialmente da polisaccardi In Escherichia coli troviamo glucosio , galattosio, fucosio, acido glucuronico,acido sialico. Le capsule sono altamente idratate (fino a 90% di acqua) e possono contribuire alla resistenza dall’essicamento.

K12 : ecco la struttura della capsula più famosa

La capsula K1 di E. coli In E. coli vi sono infatti circa 150 varianti di Antigene O e circa 100 diversi capsule K. (E. coli K12) Tutti i ceppi patogeni di E. coli hanno una capsula e quindi formano colonie di tipo S (Smooth) . La composizione degli zuccheri dell’antigene O e della capsula conferisce specificità per i diversi ospiti (uomo, uccelli, maiali) e per i diversi distretti da colonizzare ( intestino, tratto urinario o il sangue). Oltre il 90% dei casi di batteremia (infezione batterica nel sangue) da E. coli è causata da ceppi che hanno un tipo specifico di capsula K1.

La capsula K1 è costituita da lunghi polimeri di acido sialico che si estendono per oltre metà del diametro della cellula batterica. Dal momento che l’acido sialico* costituisce un rivestimento frequente delle cellule di mammifero, il sistemo immune dell’uomo non riconosce come estranea la capsula K1. Quindi i batteri con capsula K1 sono resistenti sia alla immunità innata che a quella adattiva. In genere la capsula di tipo K1 si trova associata a particolari antigeni O che ne permettono la giusta esposizione *Acido sialico è un monosaccaride a 9 atomi di Carbonio acido N-acetil neuroamminico

Regione genetica è distinta in tre gruppi kps neu kps Regione 3 Regione 2 Regione 1 Le regioni 1 e 3 definite kps sono coinvolte nel trasporto dei componenti della capsula generalmente polisaccaridi la regione 2 definita neu coinvolta nella biosintesi dei polisaccaridi ed è specifica per ogni sierotipo di E.coli

La biosintesi assomiglia come processo alla sintesi del peptidoglicano e avviene grazie a trasportatori di membrana. Le regioni 1 e 3 sono conservate in E.coli La regione 1 costituita da 6 geni ed è coinvolta nell’attraversamento della membrana esterna. Mutazioni nella regione 1 provocano un accumulo di residui polisaccaridici nello spazio periplasmatco La regione 3 è costituita da 2 geni sistema ABC kpsM kpsT Proteine integrale della membrana Proteina periferica legata alla membrana ABC transporter

I geni KpsM e KpsT sono localizzati nella regione 1 e sono 2 proteine della membrana interna con dominio ABC. Le proteine KpsE e KpsD coinvolte nel trasporto dei componenti della capsula sono codificate da geni della regione 3.

Neu C sintetizza N acetil mannosamina Neu B acido sialico sintetasi La regione 2 è una regione variabile a seconda della complessità del polisaccaride e contiene le informazioni necessarie per le funzioni di sintesi, attivazione e polimerizzazione. La capsula più studiata è quella di E.coil K1 Acido sialico è sintetizzato nel citoplasma in una reazione di condensazione PEP + N- acetilmannosamina Acido Sialico Neu C sintetizza N acetil mannosamina Neu B acido sialico sintetasi Neu A catalizza la sintesi di Acido Sialico a CMP ( Citidin 5 acido monofosfosialico è la forma attivata dell’acido sialico richiesta per la biosintesi) Neu D acetila il complesso Acido sialico-CMP Cytidine Neu S coinvolto nella polimerizzazione Neu E coinvolto nel trasporto NeuB

Biosintesi con trasportatore ABC-dipendente Il polimero viene sintetizzato sul lato interno della membrana interna per aggiunta di residui di glucosio alla catena nascente. Il residuo viene poi trasportato da un trasportatore di tipo ABC

I sistemi di tipo ABC Presentano una proteina con un dominio ABC (ATP binding cassette) con attività ATPasica,in grado di legare ed idrolizzare ATP in modo da fornire l’energia necessaria al trasporto, una proteina di fusione MPF associata alla membrana interna ma che si estende nel periplasma ed una proteina dellla Membrana esterna (OMP).

presenti in molte in molte ATPasi anche eucariotiche. Il dominio ABC si riconoscono 3 specifiche sequenze molte conservate ( in rosso): I dominio Walker A e Walker B che costituiscono rispettivamente il sito di legame dell’ATP e il sito di idrolisi. presenti in molte in molte ATPasi anche eucariotiche. Inoltre nelle proteine ABC vi è una sequenza detta “Peptide di unione” o caratterizzante (linker petide o Signature ) localizzato a monte del motivo Walker B. ATP binding ATP hydrolisis

Il sistema di tipo I come esempio di sistema ABC Il trasporto dell’emolisina

Biosintesi Wzy-dipendente. Alcuni polimeri vengono costruiti quando si trovano legati al bactoprenolo , grazie all’azione di una glicotransferasi localizzata nella membrana citoplasmatica. Sono poi trasportati attraverso la proteina Wzy, polimerizzati nel periplasma e traslocati verso la membrana esterna da un sistema di proteine di membrana

Strato S ( S-Layer) Alcuni batteri sintetizzano degli strati esterni di natura proteica. Negli Archea questi strati proteici possono costituire la parete cellulare. Possono costituire sito di attacco dei batteriofagi Gli S layer si presentano come una struttura altamente organizzata, tipo una struttura cristallina , con varie simmetrie (esagonale, tetragonale,) a seconda del numero e della struttura delle subunità glicoproteiche che li compongono .

Anche in molti Batteri Gram+ e negativi è presente uno strato di rivestimento esterno definito S layer. S Layer si ritrova come costituente della parete in quasi tutti gli Archea. S layer si forma per autoassemblaggio di subunità proteiche con simmetria esagonale , quadrata o obliqua come teste fagiche. Durante l’assemblaggio si vengono a formare pori di dimensioni identiche

Gli strati S sono associati mediante legami non covalenti a diverse strutture cellulari. Nei batteri Gram+ le subunità dello strato S sono legate al peptidoglicano Nei Batteri Gram- sono legati al LPS Gli Strati S sono composti da proteine insolubili in acqua, debolmente acide con un alto contenuto di Acido glutammico Acido aspartic a Lisina aminoacidi idrofobici.

Qual è la funzione S layer? Le proteine che costituiscono lo strato S sono secrete con il sistema Sec (ad eccezione di Caulobacter dove sono secrete con un sistema di tipoI). Le proteine dello strato S sono frequentemente legate a catene di zuccheri costituiti da unità ripetute di vari tipi di zuccheri che sporgono nell’ambiente extracellulare (glicoproteine). Lo strato di glicosilazione varia dal 1 al 10%. Il processo di sintesi è alquanto complesso e la glicosilazione viene regolata in modo coordinato con la sintesi della proteina. Qual è la funzione S layer? Favorisce adesione e riconoscimento di superfici, conferisce rigidità e nei batteri patogeni protezione dalle difesa dell’ospite.

Lo strato S negli Archea Negli Archea lo strato S è molto diffuso. Negli Archea che non possiedono una parete cellulare simile ai Batteri, lo strato S costituisce l’unico rivestimento ed è associato alla membran citoplasmatica Pseudopeptido glicano In alcuni Archea che possiedono lo pseudopeptidoglicano (pseudomureina) le subunità di strato S sono legate allo pseudopeptidoglicano

S Layer negli Archea.

Batteri che scivolano Strato mucoso Strato mucoso e lo scivolamento. Batteri che scivolano Strato mucoso Alcuni batteri si spostano per scivolamento tramite la secrezione di una sostanza mucosa (slime) che forma la scia sulla quale scivolano. Cytophaga e Flavobacterium si muovono per scivolamento ed utilizzano chitina, cellulosa

Variazione Lezioni Settimana dal 16al 20 Novembre Si svolgeranno le esercitazioni Via dei Sardi 70 III piano

I MAGNETOSOMI particelle di MAGNETITE avvolte da un involucro membranoso I cristalli di magnetite creano nella cellula un dipolo magnetico rendendo il batterio capace di rispondere a fenomeni magnetotoattici. Molti batteri magnetotattici crescono a basse concentrazioni di O2 e sembra che la funzione sia quella di guidare i batteri che si muovono tramite flagello verso sedimenti in cui la concentrazione di O2 è più bassa.

Magnetosomi isolati da Magnetospirillum Magnetosomi isolati da Magnetospirillum. Ogni particella e di circa 50nm Sono circondati da una membrana costituita da fosfolipidi , proteine e glicoproteine che costituisce un monostrato fosfolipidico. Le proteine svolgono un ruolo nel precipitare il Fe 3+ ( trasportato da agenti chelanti ) a Fe3O4 ( magnetite). La morfologia dei magnetosomi è specie specifica

INCLUSIONI CITOPLASMATICHE I procarioti accumulano nel citoplasma un ampia varietà di materia organica ed inorganica come nutrienti di riserva. Quasi tutte le sostanze sono presenti come GRANULI o INCLUSIONI e sono conservate sotto forma di polimeri (per mantenere più bassa la pressione osmotica intracellulare). La maggior parte delle inclusioni sono circondate da una sottile membrana NON UNITARIA costituita da un monostrato di lipidi I principali composti organici accumulati sono GLICOGENO AMIDO POLIALCANOATI POLIFOSFATI CIANOFICINA

Poli b idrossialcanoati Granuli di poli b idrossibutirrato , un composto lipidico costituito da unità ripetute di acido poli idrossibutirrico legate da un legame estere e sintetizzato dall’Acetil CoenzimaA . La lunghezza dei polimeri può variare con un numero di atomi di Carbonio tra 4 e 18 Prodotti sia dai Batteri che dagli Archea

GLICOGENO (presente anche in cellule animali ) e l’AMIDO (presente anche nelle alghe e cellule vegetali) possono formare piccoli grani o grandi strutture sferoidali. Amido Glicogeno Costituiscono come gli polidrossialcanoati una fonte di riserva di carbonio e di energia e vengono prodotti quando i batteri si trovano in periodi di limitata disponibilità di azoto con carbonio organico in eccesso

Cianoficina presente unicamente nei cianobatteri . È il solo granulo di riserva di azoto : in molti ambienti l’Azoto risulta spesso un elemento limitante : può essere usata come fonte di energia durante i processi di disgregazione granuli di cianoficina sono formati da un copolimero di acido aspartico con ciascun residuo di ac.aspartico contenete un gruppo laterale di arginina. L’arginina deidrogenesi determina sintesi di ATP: Arginina + ADP +P+ H20 Ornitina+ ATP+ NH3 + CO2

Globuli solfurei Alcuni batteri sono in grado di ossidare composti sulfurei come idrogeno solforato o il tiosolfato in processi biosintetici o di produzione di energia . All’interno della cellula si accumula zolfo elementare sotto forma di GRANULI. In assenza di ZOLFO i granuli scompaiono in quanto lo ZOLFO si ossida e viene utilizzato dalla cellula

CLOROSOMI sistema di membrane cellulari per la fotosintesi Il clorosoma ha una struttura a forma di sigaro e si ritrova in prossimità della M.I., contiene i pigmenti ed è il centro di fotoreazione. Presente nei Batteri verdi sulfurei (Chlorobi) e nei batteri verdi filamentosi (Chloroflexi)

Organizzazione strutturale del clorosoma Le molecole di batterioclorofilla nel clorosoma non sono associati a proteine ed hanno il compito di raccogliere la luce e di convogliarne l’energia nei centri di reazione localizzati nella M.I. Il trasferimento avviene attraverso molecole di batterioclorofilla a associate alla membrane.Questa organizzazione è altamente efficiente nell’assorbimento di luce a bassa intensità ATPasi Bcha associata a LH Centri di reazione

La clorofilla a è la principale clorofilla delle piante superiori di molte alghe e cianobatteri. Le batterioclorofille sono presenti nei batteri anossigenici Le batterioclorofille hanno in gnere un massimo di assorbimento intorno a 800-925 nm invece di 680 ( clorofilla a)

Le vescicole gassose conferiscono alle cellule la capacità di galleggiare : sono presenti nei cianobatteri ed in altri batteri acquatici ( batteri fototrofi purpurei e verdi) e in alcuni Archea. Sono strutture di natura proteica a forma di capside vuote ma rigide. Hanno una lunghezza compresa tra 300 -1000nm e uno spessore da 45 a 120nm.

Vescicole gassose sono presenti in numero variabile (da 3-4 a 3-400) sono raggruppate a costituire strutture visibili al microscopio a contrasto di fase come strutture più chiare la membrana costituita solo da proteine ( spessore di 2nm) è impermeabile all’H20 e ai soluti e permeabile ai gas le proteine sono GvpA (molto abbondante) e GvpC

Vescicole gassose sono strutture riempite di GAS, sistemate in fasci e circondate dai costituenti del citoplasma. Membrana delle vescicole gassose è permeabile ai gas , la composizione e la pressione dei gas all’interno la vescicola è la stessa di quella che si ritrova nell’ambiente dove vive il microrganismo La vescicola presenta una densità pari al 5-20% della cellula che favorisce la capacità di galleggiamento . I batteri si possono cosi posizionare lungo una colonna d’H2O nelle regioni di luce più idonee per la fotosintesi

Electron micrograph of a lysed Halobacterium salinarum cell containing spindle-shaped gas vesicles. b | Isolated cylinder-shaped gas vesicles of Hbt. salinarum. Morphogenesis of gas vesicles, starting from aggregated proteins that form a bicone, which grows to become a spindle- or cylinder-shaped gas vesicle. The 4.6 nm-wide ribs formed by gas vesicle protein A (GvpA) run nearly perpendicular to the long axis of the gas vesicle. d | Groups of small gas vesicles are produced in cells during the early stages of gas vesicle formation, and later on cells are filled with large gas vesicles.

GvpA piccola proteina, idrofobica a struttura a b foglietto molto rigida costituisce la struttra dell’involucro esterno ( 97% delle proteine) monomeri allineati a nastri paralleli GvpC presente in quantià minore, struttura ad a elica rafforza l’involucro proteico, con legami crociati

Carbossisomi. Inclusioni poliedriche presenti in microrganismi che utilizzano il Ciclo di Calvin per fissare la CO2 Sono costituite da molecole di RIBULOSIO DIFOSFATO Carbossilasi ( RubisCO) in forma cristallina Aumentano la quantità di RubisCO2 per una più efficiente fissazione di CO2 Enzima è in forma insolubile quindi si concentra senza aumentare l’osmolarità

I carbossisomi : hanno un diametro di 100 nm e sono circondati da una sottile membrana Sono presenti nei solfobatteri obbligati, nei batteri nitrificanti nei cinobatteri. Non sono presenti negli autotrofi facoltativi e quindi potrebbero rappresentare un adattamento evolutivo alla vita strettamente autotrofa

Fissazione autotrofa di CO2 il Ciclo di Calvin Per la prima tappa della riduzione di CO2 nel ciclo di Calvin è necessaria la RIBULOSIO DIFOSFATO CARBOSSILASI ( RubisCO) , un enzima estremamente diffuso nei Batteri negli Archea e nelle Alghe. Molto abbondante nei cloroplasti (50% prot.tot.) La RIBULOSIO DIFOSFATO CARBOSSILASI catalizza la formazione di 12 molecole di Acido 3-fosfoglicerico a partire da 6 di CO2 e 6 di ribulosio difosfato

Ciclo di Calvin Dall’incorporazione di 6 molecole di CO2 viene prodotta una molecola di Fruttosio 6-fosfato