Microbiologia applicata

Riassunti microbiologia

Involucro esterno dei procarioti

L’involucro esterno dei procarioti comprende tre strati: membrana plasmatica, parete e capsula.

Membrana plasmatica

Doppio strato fosfolipidico a mosaico fluido in cui le proteine hanno un’elevata libertà di movimento. Le sue funzioni sono di fungere da barriera permeabile selettiva, controllare gli scambi, trasportare i nutrienti, sede di molti processi metabolici, accumulare energia chimica, respirazione e fotosintesi; vi sono anche enzimi che catalizzano biosintesi di peptidoglicano, acidi teicoici, lipopolisaccaridi e polisaccaridi, sede di generazione e utilizzo di ATP durante il trasporto di elettroni.

Nei batteri

La membrana plasmatica è costituita da lipidi e proteine.

• Proteine integrali transmembrana, o proteine periferiche, attraversano il doppio strato fosfolipidico, estremità esterna, e proteine associate ai lipidi, lipoproteine che si legano alla membrana tramite la loro ancora o coda lipidica.
• I lipidi di membrana invece sono fosfolipidi, due catene di acidi grassi legati ad una testa polare formata da D-glicerolo-3-fosfato attraverso un legame estere.

Nella membrana procariotica sono assenti gli steroli, ma vi sono gli opanoidi, molecole simili agli steroli per funzione e struttura.

Negli archea

Le membrane degli Archea hanno caratteristiche particolari e uniche:

• Il glicerolo degli Archea è lo stereoisomero L-glicerolo, invece che D-glicerolo.
• I legami tra isoprene e glicerolo sono legami etere, al contrario dei legami estere tra acidi grassi e glicerolo.
• I lipidi degli archea possono essere dieterei di glicerolo, formati da un glicerolo e due isopreni; formano quindi le membrane a doppio strato, oppure tetrameri di glicerolo, formati da una catena di isoprene e due molecole di glicerolo; formano quindi le membrane da un solo foglietto, dentro idrofobico, isopreni, ed esternamente idrofilo, glicerolo; esse offrono maggiore resistenza alla separazione rispetto ad un doppio foglietto lipidico, consentendo agli archea di vivere a temperature elevate.

Trasporti

Trasporto passivo: passaggio secondo gradiente di concentrazione: diffusione semplice se le molecole diffondono semplicemente o diffusione facilitata se avviene tramite permeasi, Carrier che legano specifiche molecole da trasportare e aiutano ad attraversare la membrana, oppure porine, si trovano a livello della membrana esterna dei Gram e formano pori sulla superficie batterica.

Trasporto attivo: sfrutta l’idrolisi dell’ATP per consentire il trasporto contro gradiente. Può essere primario, passaggio accoppiato ad un consumo di energia metabolica primaria come l’idrolisi di ATP, sistemi di trasporto ABC, secondario, usa l’energia potenziale derivante dal passaggio di molecole secondo gradiente, oppure trasporto con traslazione di gruppo, la molecola trasportata attraverso la membrana viene contemporaneamente modificata chimicamente durante il trasporto, sistema delle fosfotransferasi.

Trasporto ABC: trasporto costituito da una proteina associata alla membrana che lega ed idrolizza ATP, una proteina integrale che funge da canale e una proteina periplasmatica, Gram -, o di superficie, Gram +, che ha un’elevata affinità per il substrato da trasportare.

Trasporto del maltosio nell’E. Coli, Gram -: nella membrana esterna troviamo le porine LamB, che fanno passare il maltosio nel periplasma; qui troviamo poi le MalE che legano selettivamente il maltosio e lo trasportano fino alla membrana citoplasmatica, qui troviamo MalF e MalG che formano un canale di passaggio all’interno della cellula; infine due MalK idrolizzano l’ATP e permettono il passaggio. Questo sistema è molto dispendioso in quanto ha bisogno di molte proteine ma allo stesso tempo molto specifico.

1©Paracini Giovanni

Sistema delle fosfotransferasi, PTS: sistema nel quale le proteine vengono alternativamente fosforilate e defosforilate determinando un trasporto a cascata di un gruppo fosfato. Questo sistema usa proteine specifiche per il trasporto di glucosio o mannosio e proteine promiscue, EI e HPr, in comune tra i due trasporti. In particolare avviene con questa sequenza: EI, riceve un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato, intermedio della glicolisi ricco di energia, -> HPr, da qui si divide per mannosio e glucosio, -> EIIa -> EIIb -> EIIc, trasportatore di membrana, una volta fosforilato riconosce il glucosio all’esterno della cellula e lo trasloca all’interno cedendogli il gruppo fosfato, modificando quindi il glucosio in glucosio-6-fosfato.

Antibiotici della membrana plasmatica: ci sono poche molecole in grado di inibire le membrane: antibiotici detergenti, distruggono le membrane, polimixine, danneggiano la membrana agendo come detergenti cationici interagendo con i fosfolipidi e aumentando la permeabilità cellulare, peptidi antimicrobici, legano ed interagiscono con la membrana, formano pori ed entrano all’interno della cellula alterandone le funzioni vitali, daptomicina, lipopeptide ciclico a sintesi non ribosomiale che agisce sulla membrana batterica in presenza di Ca⁺⁺ distruggendone la forza proton-motrice.

Parete batterica

La parete cellulare è presente in tutti i procarioti ad eccezione di micoplasmi e alcuni Archea. Presenta una distinzione tra i batteri Gram + e Gram -, basata sulla colorazione di Gram. Per questo motivo si suddividono anche in monodermi, una sola membrana, Gram +, oppure didermi, due membrane, Gram -.

La parete batterica, o sacculo di mureina, può essere rimossa mediante trattamento antibiotico con enzimi specifici che la degradano come il lisozima, scinde il legame β-1,4 glicosidico. Questo trattamento può portare a lisi osmotica delle cellule in ambiente ipotonico o ipertonico, mentre se le cellule si trovano in ambiente isotonico si possono ottenere cellule sferoidali prive di parete dette protoplasti.

Peptidoglicano

Tutti i batteri, non gli Archea, presentano uno strato rigido di peptidoglicano, eteropolimero complesso formato da unità ripetute di glicano tetrapeptide. Esso è composto da:

• Due derivati polisaccaridici: N-acetil-D-glucosamina, NAG, e acido N-acetilmuramico, NAM, alternati tra loro e uniti da un legame β-1,4 glicosidici, forte ma scindibile da parte dell’enzima lisozima.
• 4 aminoacidi legati al NAM: L-alanina, acido D-glutamico, lisina, Gram +, o acido diaminopimelico DAP, Gram -, D-alanina. Si forma un legame crociato tra lisina o DAP di una catena e la D-alanina della catena adiacente; questo legame conferisce robustezza e rigidità alla struttura.

Sintesi del peptidoglicano: il peptidoglicano deriva da glutammina e fruttosio 6-P: la cessione da parte dell’amminoacido di NH2 consente la formazione di glucosammina-6P. Su esso è trasferito un acetile dall’AcetilCoA e si forma NAG-1P, N-acetil-glucosammina-1P. Da questo precursore abbiamo tre fasi:

• 1) Nel citoplasma vengono sintetizzati i precursori saccaridici e proteici: NAG e NAM si formano in parallelo; la glucosammina attacca UTP e si forma UDP-NAG; PEP cede piruvato a UDP-NAG e si forma anche UDP-NAM grazie all’azione degli enzimi MurA e MurB. La fosfomicina è un antibiotico inibitore che agisce a questo livello, in quanto analogo strutturale del PEP, inibisce MurA e quindi non è possibile sintetizzare UDP-NAM. Al COOH del NAM vengono aggiunti gli amminoacidi: L-alanina, acido D-glu, lisina o DAP e un dimero di D-alanina che si forma per isomerizzazione di L-ala in D-ala. La cicloserina è un antibiotico che inibisce la formazione del dimero D-alanina, impedendone l’isomerizzazione in quanto analogo strutturale della D-alanina.
• 2) Trasporto transmembrana: questo processo avviene grazie al trasportatore lipidico bactoprenolo monofosfato, il quale si trova nel foglietto interno della membrana e funge da navetta: il pentapeptide-NAM viene trasferito da UDP al bactoprenolo. La tunicamicina è un antibiotico che impedisce questo trasferimento. Successivamente a questa cessione UDP diventa UMP e un altro fosfato viene ceduto al bactoprenolo generando il bactoprenolo difosfato; esso si lega al pentapeptide-NAM formando il complesso Lipide 1 e successivamente ad esso viene aggiunto anche NAG, quindi pentapeptide-NAM-NAG, formando il complesso Lipide 2. A questo punto il bactoprenolo trasporta il complesso fino al foglietto esterno della membrana e lo rilascia. Il trasportatore lipidico viene infine defosforilato a monofosfato e ritorna nel foglietto interno. La bacitracina è un antibiotico che impedisce questa defosforilazione e impedisce quindi il riciclaggio del bactoprenolo.
• 3) Reazione di polimerizzazione nel periplasma, o trasmembrana per i Gram +: avviene la transglicosilazione, la quale forma i legami β-1,4 glicosidici unendo il lipide 2 ad altre catene NAM-NAG. Infine la transpeptidazione forma i legami crociati.

2©Paracini Giovanni

Antibiotici β-lattamici: agiscono su questo terzo stadio e sono caratterizzati dalla presenza di un β-lattame, mentre differiscono per un nucleo tiazolinico, penicilline, oppure diidrotiazinico, cefalosporine. L’affinità degli antibiotici β-lattamici per questi enzimi è data dall’analogia strutturale tra l’anello lattico e il substrato naturale degli enzimi stessi, il legame degli antibiotici agli enzimi comporta l’inibizione dello stesso. Inoltre, tra i β-lattamici vi sono anche i monobattami, molto attivi contro i Gram -, e i carbapeni, ad ampio spettro.

Vi sono anche antibiotici con bersaglio la membrana esterna dei Gram -, in particolare la sintesi di LPS. Nel sistema di trasporto del LPS infatti, se blocco una delle sette proteine essenziali causerò immediatamente la morte del microrganismo; ad esempio il murepavadin colpisce il LptD, responsabile del legame LPS con la membrana esterna.

Parete dei monodermi, Gram positivi

La loro parete è spessa ed è formata da un monostrato di peptidoglicano in cui sono inseriti acidi teicuronici, proteine associate alla parete, carboidrati acidi teicoici, ed i quali si dividono in: acidi teicoici di parete, sono polimeri anionici ricchi di fosfato responsabili della carica negativa della superficie cellulare, e acidi lipoteicoici, costituiti da catene di poliglicerolfosfato legate a un residuo glicolipidico tramite il quale sono ancorate alla membrana plasmatica.

Parete dei didermi, Gram negativi

La parete dei didermi, Gram -, è una struttura multi-stratificata complessa. È formata da un 10% di peptidoglicano immerso nel periplasma, spazio acquoso compreso tra la membrana esterna ed interna; tutti i processi che avvengono in questo comparto sono esoergonici o capaci di trasdurre energia dalla membrana plasmatica. In Gram - presentano quindi una membrana esterna asimmetrica costituita da fosfolipidi nel foglietto interno e lipopolisaccaride, LPS, nel foglietto esterno, in cui sono immerse proteine transmembrana. A varie altezze troviamo poi le porine, rendono la membrana permeabile a piccole molecole, e le proteine integrali.

Lipopolisaccaride

Grossa molecola suddivisa in Lipide A, costituito da un dimero di NAG fosforilato al quale sono legati 6 residui di acidi grassi, il quale consente di ancorare LPS alla membrana esterna, Core, costituito da molecole di chetodeossioctonato, Kdo, e uno zucchero a 7 atomi di carbonio, e Antigene O, catena polisaccaridica ripetuta che si estende verso l’esterno della cellula.

Biosintesi del lipopolisaccaride, LPS: i Gram - devono essere in grado di sintetizzare e trasportare LPS, cosa non facile perché nel periplasma vi è mancanza di energia. La sintesi dell’LPS è molto simile a quella del peptidoglicano. Avviene nel citoplasma, a contatto con la membrana esterna, e per la sua produzione viene usato NAG, anche precursore del peptidoglicano. Le tappe della biosintesi sono:

• 1) Formazione del lipide A nella porzione interna della membrana interna, citoplasma: la glucosammina attacca UTP e si forma UDP-NAG; dopo una serie di reazioni si forma il precursore tetra-acilato del lipide A; al lipide Iva vengono poi aggiunti due residui di KDO e si forma il KDO2-lipide Iva ed infine vengono aggiunte due catene acidiche a dare KDO2-lipideA.
• 2) Formazione del core oligosaccaridico nella porzione interna della membrana interna: al precursore KDO2-lipideA vengono aggiunti dei residui di zuccheri a dare il core-lipideA; questo precursore è traslocato nel foglietto esterno, periplasmatico, mediante il trasportatore interno di tipo ABC MsbA.
• 3) Traslazione dell’antigene O: completamente indipendente dalla traslocazione del precursore core-lipideA. L’antigene O è fortemente idrofilico e quindi per attraversare la membrana deve necessariamente legarsi al bactoprenolo, il quale lo trasporterà fino al periplasma, dove si legherà al core-lipideA per formare l’LPS.

Parete degli archea

La parete degli Archea è formata da pseudo-peptidoglicano, molto simile al peptidoglicano, ma formato da unità ripetute di NAG e acido N-acetil-talosamin-uronico, sostituisce il NAM. Inoltre il legame tra i due saccaridi è β-1,3, non β-1,4.

Altre tipologie di pareti particolari

Micoplasmi: batteri privi di parete, la cui cellula è racchiusa solamente da una membrana plasmatica particolare, perché ricca di steroli. Queste caratteristiche rendono i micoplasmi resistenti alla lisi osmotica. Sono tutti commensali, parassiti o patogeni; essendo privi di parete non sono soggetti all’azione di antibiotici che inibiscono la sintesi di peptidoglicano.

Clamidie: sono batteri Gram - privi di parete, patogeni per l’uomo.

3©Paracini Giovanni

Micobatteri: presentano una spessa parete cellulare, ricca di componenti cerose che formano uno spesso strato impermeabile suddiviso in strato basale, costituito da peptidoglicani e arabinogalattani, e una successiva bistratificazione di acidi micolici e cere insieme a fosfolipidi, formando una vera e propria membrana esterna analoga a quella dei Gram -.

Altre strutture dell’involucro

Flagelli

I flagelli sono organelli che consentono ai batteri di spostarsi tramite il loro movimento rotatorio.

• Monotrichi: posseggono un flagello a uno dei due poli.
• Anfitrichi: presentano un flagello ad ogni polo.
• Lobotrichi: ciuffo di flagelli ad un solo polo.
• Peritrichi: presentano numerosi flagelli che protrudono da tutta la superficie.

I primi due son definiti polari, flagelli disposti ai poli del batterio, e per muoversi in avanti il flagello ruoterà in senso orario, mentre retrocederanno quando si muove in senso antiorario.

Nei batteri peritrichi e lobotrichi invece la rotazione in senso antiorario causa la corsa, movimento di avanzamento, mentre al contrario la rotazione in senso orario determina l’apertura dei fasci causando capriole, capovolgimenti del batterio. Il movimento di questi batteri è quindi l’insieme di corse e capriole, al fine di cambiare la loro direzione di movimento. Per chemiotassi i batteri prevedono stimoli chimici tramite chemiocettori e si muoveranno nella direzione più favorevole al batterio.

Struttura dei flagelli

• Corpo basale: costituisce il motore flagellare: anello L, nella membrana esterna, anello P, nel peptidoglicano, anello MS, nella membrana plasmatica e si estende nel periplasma, anello C, è il motore e si estende dalla membrana plasmatica all’interno: formato dal rotore del motore flagellare formato da FliG, M e N e dallo statore costituito da MotA e MotB.
• Uncino: corta struttura flessibile intermedia.
• Filamento: struttura tubolare che si prolunga dall’uncino costituita da flagellina.

Fimbrie

Strutture superficiali filamentose corte, rigide e sottili che hanno l’esclusiva funzione di adesione alla cellula ospite, riconoscendo in genere i carboidrati.

Pili

Strutture superficiali più lunghe che hanno la funzione o di adesione o sessuale. Ciascun pilo è costituito da numerose subunità di pilina. Il processo di adesione mediato da fimbrie e pili è fondamentale per i batteri patogeni in quanto colonizzano e si stabiliscono nei tessuti dell’ospite formando aggregati chiamati biofilm. Il legame di queste due strutture determina il sito di infezione del batterio patogeno.

Capsula

Molti batteri secernono polimeri che aderiscono alla superficie cellulare formando il glicocalice:

• Se è ben strutturato e adeso forma la capsula, la quale conferisce ai batteri una morfologia liscia e lucida e ne determina la virulenza, i batteri non capsulati non sono patogeni.
• Se invece non è ben strutturato si forma lo strato mucoso.

Differenziamento cellulare

Diversi organismi formano spore per sopravvivere a condizioni ambientali avverse: esospore, prodotte all’esterno della cellula vegetativa, endospore, prodotte all’interno della cellula vegetativa, rappresentano la forma più resistente conosciuta per una cellula vivente.

Endospore

Se l’ambiente diventa avverso la cellula risponde formando l’endospora, processo di sporulazione, capace di sopravvivere e