Riassunti di Biologia cellulare

Biologia cellulare (parte della Donati)

Prima di parlare dei vari processi incontrati in questo corso, è doveroso prima reintrodurre il concetto di “cellula”. Per cellula intendiamo l'unità fondamentale della vita e rappresenta difatto la più piccola struttura vitale che esista.

Il nome “cellula” deriva dal suo scopritore (Robert Hooke), che per primo osservò con il microscopio ottico una serie di unità ripetitive che, legate fra loro, componevano il sughero. Tali unità ripetitive avevano una forma molto simile a delle celle, ed è da qui che nacque il nome cellula.

Gli organismi, sulla base del numero di cellule dal quale sono composti, vengono classificati in: unicellulari (costituiti da una singola cellula) e pluricellulari (costituiti da più cellule).

Sulla base del livello di complessità possiamo avere due tipi di cellule:

Le cellule procariote

Sono cellule molto semplici che caratterizzano generalmente organismi unicellulari come i batteri e gli archea. Generalmente tali cellule sono costituite strutturalmente parlando da:

• Parete cellulare e membrana cellulare (analoga a quella descritta successivamente nelle cellule eucariote).
• Citoplasma nel quale sono immersi i ribosomi.
• Strutture deputate al movimento come i flagelli o le fimbrie.
• Strutture deputate alla riproduzione come i pili sessuali.
• Genoma a DNA, non protetto da nessuna membrana nucleare (non c'è un nucleo!!). Infatti il genoma si trova in una regione specifica del citoplasma chiamata “nucleoide”.
• Può esserci anche la presenza di alcune strutture accessorie di rivestimento chiamate “capsula”.
• Non vi è una compartimentazione della cellula e si riproducono per scissione binaria.

Generalmente le cellule procariote si riproducono per mitosi, per cui sorge una domanda spontanea: “Se i procarioti, come i batteri, non hanno apparentemente la capacità di scambiarsi il materiale genetico attraverso un meccanismo sessuale come la meiosi, com'è possibile che in questi quattro miliardi di anni si siano evoluti??”

Una fonte di variabilità genetica potrebbero essere le mutazioni, ossia delle modificazioni di alcune sequenze nucleotidiche poste in un tratto specifico di un gene. Il punto è che le mutazioni sono sì fonte di variabilità genetica, ma avvengono spontaneamente con una frequenza di 0,000001 (10^-6) volte.

Questo significa che se considero un milione di batteri, solo uno va incontro a mutazione.

Considerando questo fattore, e la velocità di sviluppo dei sistemi biologici, è molto molto improbabile che siano stati solo gli eventi mutageni (le mutazioni) a dare variabilità genetica e ad evolvere i batteri in questi 4 miliardi di anni. Pertanto un'altra domanda sorge spontanea: “Anche per i batteri quindi esistono uno o più meccanismi che permettono loro di variare il proprio pool genetico??”.

La risposta è sì, esistono ben quattro meccanismi con i quali i batteri possono scambiarsi materiale genetico e quindi andare incontro a variabilità genetica. Questi meccanismi sono:

Trasduzione

Un meccanismo con il quale i batteri variano il proprio pool genetico è la “trasduzione”. Questo processo consiste nel passaggio di DNA da un batterio ad un altro per tramite di un batteriofago.

Se prendiamo in considerazione il punto di vista del batteriofago (virus), sicuramente non può che essere positivo. Questo perché il batteriofago è un virus che si lega ai batteri col solo scopo di replicare il proprio materiale genetico e dar vita alle particelle virali.

Se prendiamo, invece, il punto di vista del batterio visto in maniera grossolana, sarebbe una follia. Questo perché sappiamo benissimo che il virus, una volta che interagisce con il batterio, lo uccide. Pertanto una domanda sorge spontanea: “Se il batteriofago una volta legato al batterio, lo uccide. Perché il batterio permette questo legame senza opporre resistenza??”.

Il fatto è che ogni essere vivente, inclusi i batteri, tende a relazionarsi con l'ambiente esterno e gli altri organismi, in maniera tale da permettere un determinato equilibrio fra le due forze biologiche in gioco: l'identità biologica e la variabilità genetica.

Sicuramente sappiamo che l'interazione fra il batteriofago (virus) e il batterio non permette al batterio di mantenere la propria identità biologica. Questo perché viene semplicemente ucciso. A questo punto per esclusione possiamo dedurre che il batterio permette l'interazione col batteriofago perché, in qualche modo, quest'ultimo è in grado di aumentare la variabilità genetica del batterio stesso.

Infatti quello che succede è:

• Inizialmente il batteriofago si aggancia ai recettori della membrana cellulare batterica.
• Dopo di che il batteriofago inietta il proprio DNA-virale all'interno della cellula batterica.
• Il metabolismo comincia ad essere sbilanciato ed il DNA-virale inizia a moltiplicarsi esponenzialmente formando molte copie di se stesso.
• A questo punto il DNA-virale si integra nel DNA-batterico e lo inizia a spezzettare. Abbiamo quindi il DNA-virale e la presenza di brevi tratti di DNA-batterico.
• Siamo quindi arrivati alla parte finale del ciclo litico virale. Sostanzialmente le proteine virali, derivanti dalla sintesi proteica del DNA-virale, iniziano a formare le varie parti strutturali dei nuovi batteriofagi. Fra queste parti abbiamo anche la testa del virus, detta comunemente “capside”. Nel capside viene integrato il DNA-virale. Solo che con una certa frequenza nel capside ci vanno a finire anche alcuni brevi tratti di DNA-batterico.
• A questo punto i batteriofagi prodotti sono talmente tanti che fisicamente la cellula batterica non può più tenerli. Pertanto si ha il fenomeno di “lisi”, ossia si rompe fisicamente la parete cellulare ed il batterio muore.
• I batteriofagi vengono così liberati nell'ambiente e vanno a contatto con altri batteri.
• Al momento in cui i batteriofagi trovano un nuovo batterio si legano ai recettori di membrana di quest'ultimo ed iniettano il proprio DNA. Il DNA stavolta però non è solo virale ma, in piccolissime quantità, abbiamo anche la presenza di brevi tratti di DNA-batterico, derivante dal primo batterio lisato dal virus.
• Il DNA-virale viene iniettato nel materiale citoplasmatico e viene immediatamente distrutto dalle difese intrinseche del batterio. Invece il tratto di DNA-batterico può avere due destini differenti: o viene distrutto come il DNA-virale, oppure viene riconosciuto da un tratto di DNA-batterico molto simile ad esso. Una volta riconosciuto, i due tratti di DNA-batterici, uno derivante dal primo batterio lisato e l'altro appartenente al secondo batterio, vengono sostituiti fisicamente attraverso l'azione di una proteina particolare che si chiama “REC-A”.
• Una volta che il tratto di DNA-batterico del secondo batterio viene sostituito con il tratto di DNA-batterico del primo batterio, quello che otteniamo è che il genoma del secondo batterio è sostanzialmente variato. Abbiamo quindi aumentato difatto la variabilità genetica della specie!!!!

Trasformazione

Un altro meccanismo con il quale i batteri variano il proprio pool genetico è la “trasformazione”. Questo processo consiste nel passaggio di alcuni frammenti di DNA nudi, per “nudi” si intendono liberi nell'ambiente extracellulare, provenienti da cellule batteriche lisate (morte), a cellule batteriche vive.

Questo passaggio avviene direttamente nell'ambiente extracellulare.

Colui che scoprì per primo la presenza di questo meccanismo di trasformazione fu senza alcun dubbio Peter Griffith. Griffith però all'epoca non sapeva dell'esistenza del DNA come molecola portatrice dell'informazione genetica e quindi, dovendo dare un nome alla molecola che passava dal batterio lisato al batterio vivo, diede il nome di “Principio trasformante”.

Successivamente con le nuove tecnologie e le nuove scoperte nel campo della microbiologia, abbiamo potuto osservare in maniera più specifica e dettagliata il comportamento dei batteri, notando che i batteri non vivono mai da soli ma vivono sempre in una colonia. All'interno di queste colonie i batteri sono sia in competizione per le risorse nutritive, ma anche in cooperazione per superare determinate condizioni ambientali sfavorevoli.

In determinate condizioni ambientali alcuni batteri, anche di diversa specie, tendono a compattarsi formando una sorta di aggregazione immersa in una soluzione polisaccaridica molto compatta. Questa struttura polisaccaridica con all'interno individui e aggregazioni di batteri di diversa specie, prende il nome di “biofilm”, detto anche “biopellicola” o anche “microfouling”.

Sostanzialmente quello che accade è:

• All'interno di questo Microfouling, i batteri nascono, si nutrono, si riproducono e muoiono.
• Generalmente la morte è sostenuta dal fatto che ogni cellula batterica inizia a perdere la propria integrità strutturale e si rompe la membrana cellulare, andando incontro al processo di “lisi cellulare”.
• Al momento in cui avviene la lisi cellulare, il contenuto citoplasmatico del batterio lisato fuoriesce nell'ambiente extracellulare. Per contenuto citoplasmatico, intendo dire la matrice citoplasmatica (citosol) con immersi all'interno alcuni organuli come i ribosomi ed il materiale genetico (DNA o plasmidi).
• Contemporaneamente ad alcuni batteri che muoiono, all'interno del Microfouling, abbiamo anche batteri vivi. Alcuni di questi batteri hanno la capacità di catturare frammenti di DNA extracellulari e di incorporarli all'interno della propria struttura. Questa capacità è dovuta al fatto che questi batteri sono in un particolare stato fisiologico chiamato “stato di competenza”.
• In poche parole, quando un batterio si trova nello stato di competenza, sulla propria membrana vi è la presenza di alcuni recettori specifici in grado a loro volta di riconoscere, interagire e permettere l'incorporazione di frammenti di DNA all'interno della propria struttura.

Per fare ciò il recettore inizialmente si lega con frammenti di DNA a doppia elica, il DNA a singola elica non viene riconosciuto dal recettore. Successivamente il DNA a doppia elica passa attraverso la parete cellulare e va incontro ad una serie di enzimi “esonucleasici” che degradano uno dei due filamenti della doppia elica. Questo passaggio di degradazione non è ancora del tutto chiaro alla comunità scientifica.

Il filamento singolo a questo punto raggiunge la membrana ed infine approda nel materiale citoplasmatico (materiale intracellulare) dove viene ri-sintetizzato il filamento complementare, colui che è stato degradato inizialmente dagli enzimi esonucleasici.

Una domanda sorge spontanea: “Il DNA a doppia elica che si trova adesso all'interno del materiale citoplasmatico, che fine fa?? A cosa serve?”.

La risposta è che il DNA può avere due destini cellulari. Il primo è che viene riconosciuto come DNA-estraneo, poiché proviene dal batterio lisato e quindi è diverso dal proprio DNA, e quindi viene degradato. Il secondo è che viene riconosciuto dalla solita proteina “REC-A”. La REC-A non fa altro che integrare il frammento di DNA proveniente dal batterio lisato, all'interno del DNA del batterio vivo. In tal modo il genoma del batterio vivo è stato difatto variato ed abbiamo difatto aumentato la variabilità genetica della specie!!!!

Coniugazione

Abbiamo parlato di trasduzione e di trasformazione, ma esiste anche un altro meccanismo con il quale i batteri possono variare il proprio pool genetico, esso è la “coniugazione”.

Questo processo consiste nel passaggio di alcuni frammenti di DNA da una cellula batterica ad un'altra, purché queste due cellule batteriche siano assolutissimamente in contatto fisico fra loro.

Il processo di coniugazione fu scoperto per la prima volta nel 1946 da Joshua Lederberg ed un suo collaboratore, Edward Tatum, entrambi vincitori del premio Nobel pochi anni dopo.

Grazie all'avvenimento della microscopia elettronica abbiamo potuto capire nel dettaglio le dinamiche di questo processo. Sostanzialmente possiamo notare che ci sono alcuni batteri capaci di donare frammenti del proprio DNA che prendono il nome di “batteri donatori” e ci sono altri batteri capaci di ricevere frammenti di DNA che prendono il nome di “batteri riceventi”.

I batteri sono caratterizzati da una estroflessione, una sorta di braccio, chiamato “pilus sessuale” o genericamente “pilo sessuale”. Attraverso il pilo sessuale, i batteri donatori trasmettono parte del proprio DNA al batterio ricevente. Questi frammenti di DNA sono piccoli e circolari, ed una volta trasmessi al batterio ricevente, quest'ultimo diventa un batterio donatore, ossia capace a sua volta di donare questi piccoli frammenti di DNA ad altri batteri riceventi.

Pertanto questi frammenti di DNA circolare furono definiti come “fattori di fertilità”, detti anche “fattore F”. A questo punto i batteri donatori saranno definiti come “F positivi” o “F+”, ossia fertili, mentre i batteri riceventi saranno definiti come “F negativi” o “F-”, non fertili.

Quindi il fattore F (fattore di fertilità), passa sempre e comunque da batteri “F positivi” a batteri “F negativi” trasferendo loro la capacità di diventare “F positivi”. Siccome questi frammenti di DNA circolare si muovono da un batterio all'altro, furono chiamati “MGE” (Elementi genetici mobili), detti anche in tal caso “plasmidi”.

Quindi sostanzialmente, per fare il punto della situazione, la differenza fra i batteri “F positivi” ed “F negativi” risiede nella presenza di un plasmide. Generalmente questo plasmide deve contenere al suo interno una notevole quantità di informazione genetica. Infatti il plasmide deve contenere i geni “TRA” ed i geni “MOB”.

I geni TRA sono coloro che permettono il trasferimento del plasmide da una cellula all'altra. Se non ci fossero i geni TRA, il plasmide non potrebbe essere trasferito. I geni MOB sono coloro che permettono la sintesi del pilo sessuale, che a sua volta è la struttura cellulare nella quale avviene il trasferimento del plasmide. Se non ci fossero i geni MOB, il plasmide non potrebbe essere trasferito.

In poche parole quindi quello che succede in sintesi è che:

• I batteri donatori F+, attraverso la presenza dei geni MOB, formano il pilo sessuale.
• Tramite il pilo sessuale, il batterio donatore F+, si aggancia al batterio ricevente F-, e i due si avvicinano.
• Il fattore di fertilità (F, che è il plasmide presente nel batterio donatore) viene tagliato.
• Un filamento quindi passa attraverso il pilo sessuale e raggiunge il batterio ricevente F-, mentre l'altro filamento rimane nel batterio donatore F+.
• A questo punto sia nel batterio donatore F+ che nel batterio ricevente iniziano a riformarsi i filamenti mancanti. Abbiamo quindi ottenuto che il batterio F- diventa F+ e sarà in grado a sua volta di passare l'informazione genetica ad altri batteri riceventi.

Quorum sensing

Il quorum sensing è un meccanismo che attuano quasi tutte le cellule batteriche Gram positive e Gram negative della stessa specie per poter comunicare fra loro. Questi batteri tramite il quorum sensing riescono sostanzialmente ad avere una certa sensibilità rispetto alla loro densità di popolazione.

Per capire il processo di quorum sensing, dobbiamo sapere che ogni batterio è caratterizzato dall'avere degli specifici ligandi che sono in grado di captare la presenza di alcune piccole molecole prodotte dagli altri batteri, dette “autoinduttori” (AI). Generalmente i Gram positivi utilizzano come autoinduttori degli oligopeptidi mentre generalmente i Gram negativi utilizzano come autoinduttori delle omoserina lattone acetilate (AHL).

Quello che succede è:

• Inizialmente i batteri diffondono nell'ambiente circostante gli autoinduttori.
• Gli autoinduttori vengono captati da specifici ligandi presenti sulla membrana o nel citoplasma delle cellule batteriche circostanti.
• Se gli autoinduttori captati sono superiori ad un certo valore di soglia, fungono essi stessi da regolatori trascrizionali per l'attivazione o l'inibizione di specifici geni del batterio che codificano per la formazione di alcune proteine. Queste proteine a loro volta sono implicate nello sviluppo di alcuni processi come la bioluminescenza, la sporulazione, la virulenza o la formazione dei biofilm, tutti processi molto importanti e altrettanto utilizzati dai batteri per sopravvivere ed adattarsi all'ambiente.

Il primo processo di quorum sensing che è stato scoperto dall'uomo è stato notato studiando il funzionamento e la biomorfologia delle seppie e dei calamari. Questi organismi superiori generalmente presentano un organo luminoso che gli permette di attrarre a sé i microrganismi e i piccoli pesci per potersi nutrire.

Generalmente questo organo è bioluminescente grazie al fatto che le seppie e i calamari ingeriscono discrete quantità di un batterio chiamato “Alivibrio fischeri”, un batterio bioluminescente che vive libero nel plancton. Tale batterio è caratterizzato da dei ligandi trans-membrana specifici e dal produrre autoinduttori AHL.

• Una volta ingerito dalla seppia il batterio Alivibrio fischeri, si trova in una condizione di simbiosi e quindi la concentrazione di autoinduttori emessa è relativamente bassa, e non è tale da indurre il fenomeno di bioluminescenza.
• Via via che passa il tempo però, il batterio Alivibrio fischeri si riproduce e quindi la concentrazione di autoinduttori emessi risulta aumentare drasticamente, superando generalmente i valori di soglia.