Riassunto esame Microbiologia generale, Prof. Cocolin Luca Simone, libro consigliato Biologia dei microrganismi , Madigan

RNA.

• Ogni nucleotide è composto da uno zucchero pentoso (ribosio nell'RNA,

deossiribosio nel DNA), una base azotata e una molecola di fosfato (PO₄³⁻).

Componenti dei Nucleotidi

• Basi Azotate:

• Purine: adenina (A) e guanina (G), con due anelli eterociclici fusi.

• Pirimidine: timina (T), citosina (C), uracile (U), con un singolo anello eterociclico

esatomico.

• DNA: adenina, guanina, citosina, timina.

• RNA: adenina, guanina, citosina, uracile.

• Legami e Struttura:

• Le basi azotate sono legate allo zucchero pentoso tramite un legame glicosidico.

• Nucleoside: base azotata legata allo zucchero.

• Nucleotide: nucleoside con l'aggiunta di uno o più fosfati.

• Il fosfato forma legami covalenti tra il carbonio 3' di un nucleotide e il carbonio 5' del

successivo (legame fosfodiestere).

Struttura del DNA

Nei genomi delle cellule, il DNA è a doppio filamento. Ogni cromosoma è costituito da due

filamenti di DNA, ciascuno contenente da centinaia di migliaia ad alcuni milioni di nucleotidi

uniti da legami fosfodiestere. I due filamenti sono tenuti insieme dai legami idrogeno che si

formano tra le basi azotate in un filamento con quelle nell'altro filamento.

• Appaiamento delle Basi:

• Legami idrogeno stabili: guanina (G) interagisce con citosina (C), adenina (A) con

timina (T).

• Appaiamenti specifici assicurano la complementarità dei due filamenti di DNA.

Geni e Fasi di Trasferimento delle Informazioni

Quando i geni sono espressi, le informazioni genetiche contenute nel DNA sono trasferite

all'RNA. Solo tre tipi principali di RNA sono implicati nella sintesi delle proteine: RNA

messaggero (mRNA), RNA transfer (tRNA), e RNA ribosomale (rRNA).

• Processi Molecolari:

• Replicazione: duplicazione della doppia elica del DNA, eseguita dalla DNA

polimerasi.

• Trascrizione: trasferimento dell'informazione genetica dal DNA all'RNA, eseguita

dalla RNA polimerasi.

• Traduzione: sintesi di una proteina utilizzando le informazioni genetiche portate

dall'mRNA.

• Dogma Centrale della Biologia Molecolare:

• DNA → RNA → Proteine

• Le molecole di RNA possono essere trascritte a partire da regioni relativamente

corte di lunghe molecole di DNA.

Negli eucarioti, ogni singolo gene è trascritto per produrre un singolo mRNA. Nei procarioti, una

singola molecola di mRNA può trasportare l'informazione genetica di molti geni, ovvero, molte

regioni codificanti proteine.

• Codoni e Traduzione:

• Gruppi di tre basi su una molecola di mRNA codificano un singolo aminoacido.

• I codoni sono tradotti in sequenze di aminoacidi dai ribosomi con l'ausilio dei tRNA e

di altre proteine.

Sebbene nelle cellule il dogma centrale sia generalmente inviolabile, alcuni virus possono

violare questo processo in modi interessanti, come descritto nei capitoli successivi.

4.2 La Doppia Elica

Struttura della Doppia Elica

In tutte le cellule, il DNA si trova sotto forma di molecola a doppio filamento, nella quale

ciascun filamento possiede una sequenza nucleotidica complementare a quella dell'altro. La

complementarietà del DNA risiede nell'appaiamento specifico delle basi attraverso i legami

idrogeno: l'adenina (A) si appaia sempre con la timina (T), mentre la citosina (C) si appaia

sempre con la guanina (G).

• Appaiamento delle Basi:

• Coppia A-T: 2 legami idrogeno.

• Coppia G-C: 3 legami idrogeno, rendendole più stabili rispetto alle coppie A-T.

I due filamenti complementari di una molecola di DNA sono disposti in maniera antiparallela:

uno va dal 5' al 3', mentre l'altro dal 3' al 5'. Sebbene i singoli legami idrogeno siano deboli, il

loro grande numero conferisce notevole stabilità alla molecola.

Doppia Elica e Solchi

I due filamenti di DNA appaiono avvolti l'un l'altro a formare una doppia elica, in cui si

osservano due distinti solchi: il solco maggiore e il solco minore.

• Interazione con le Proteine:

• La maggior parte delle proteine che riconoscono e legano specificamente il DNA

interagiscono con il solco maggiore, dove determinati atomi di alcune basi sono

sempre esposti.

Dimensioni e Forma delle Molecole di DNA

La dimensione di una molecola di DNA è espressa come numero di basi nucleotidiche o paia di

basi (bp).

• Unità di Misura:

• 1000 basi = 1 kilobase (kb).

• 1000 paia di basi = 1 kilobase pairs (kbp).

• Escherichia coli possiede un cromosoma di circa 4640 kbp (4,64 Mbp).

Considerando che ciascuna coppia di basi nella doppia elica è lunga 0,34 nanometri (nm), 1 kbp

di DNA è lunga 0,34 µm e presenta 100 giri di elica. Il genoma di E. coli è lungo 1,58 mm.

Superavvolgimento del DNA

Il DNA a doppio filamento viene ulteriormente attorcigliato in un processo definito

superavvolgimento.

• Processo di Superavvolgimento:

• Il superavvolgimento può essere positivo o negativo.

• Superavvolgimento positivo: avvolgimento maggiore della doppia elica.

• Superavvolgimento negativo: avvolgimento minore della doppia elica.

• Il superavvolgimento negativo è la forma predominante in natura.

I superavvolgimenti sono inseriti o rimossi dal DNA da enzimi chiamati topoisomerasi. La DNA

girasi, una topoisomerasi di classe II, inserisce i superavvolgimenti negativi nel DNA attraverso

interruzioni del doppio filamento.

• Funzione del Superavvolgimento:

• Stabilizza il DNA.

• Permette il compattamento del DNA in spazi ristretti.

Implicazioni del Superavvolgimento

Nel cromosoma di Escherichia coli esistono oltre 100 domini di superavvolgimento, stabilizzati

da proteine specifiche legate al DNA.

• Energia e Superavvolgimento:

• L'inserimento dei superavvolgimenti richiede energia fornita dall'ATP.

• La rimozione dei superavvolgimenti non richiede energia.

Superavvolgimento negli Archaea e Antibiotici

Alcuni Archaea, che vivono a temperature molto elevate, possiedono cromosomi superavvolti

in senso positivo, caratteristica che aiuta a conservare la struttura del DNA a tali temperature.

• Antibiotici e DNA Girasi:

• Alcuni antibiotici inibiscono l'attività della DNA girasi.

• Esempi di antibiotici: chinoloni (acido nalidixico), fluorochinoloni (ciprofloxacina),

novobiocina.

4.3 Elementi genetici: cromosomi e plasmidi

Elementi Genetici nei Procarioti e negli Eucarioti

• Cromosomi:

• Nei procarioti, come batteri come Escherichia coli, il cromosoma è il principale

elemento genetico. È costituito da un singolo filamento di DNA circolare che

contiene tutti i geni necessari per la sopravvivenza e il funzionamento della cellula.

• Alcuni procarioti possono avere più di un cromosoma, sebbene la maggior parte ne

abbia uno solo.

• Negli eucarioti, come nelle piante e negli animali, il genoma è composto da diversi

cromosomi lineari, ognuno contenente porzioni di DNA lunghe e complesse.

• Altri elementi genetici:

• Plasmidi: Sono piccoli frammenti di DNA circolare che esistono indipendentemente

dal cromosoma principale. I plasmidi possono replicarsi autonomamente all'interno

della cellula ospite e spesso portano geni che conferiscono vantaggi selettivi come la

resistenza agli antibiotici o la capacità di metabolizzare specifici nutrienti.

• Genomi virali: I virus contengono genomi composti da DNA o RNA, che utilizzano

per replicarsi all'interno delle cellule ospiti. Possono essere a singolo o doppio

filamento e possono essere circolari o lineari.

• Elementi trasponibili: Sono segmenti di DNA in grado di spostarsi all'interno del

genoma, causando mutazioni genetiche. Sono presenti sia nei procarioti che negli

eucarioti e contribuiscono alla variabilità genetica delle popolazioni.

Organizzazione dei Geni nel Cromosoma di Escherichia coli

• Caratteristiche del cromosoma di E. coli:

• Il cromosoma di Escherichia coli, uno dei batteri più studiati, contiene circa 4,6

milioni di coppie di basi e circa 4288 geni codificanti per proteine.

• I geni sono disposti lungo il cromosoma e spesso organizzati in operoni. Gli operoni

sono gruppi di geni che vengono trascritti insieme in un'unica unità funzionale

(mRNA), facilitando la regolazione coordinata dell'espressione genica.

• La sequenza genomica di E. coli rivela che la maggior parte dei geni è presente in

singoli segmenti del cromosoma, ma alcuni sono raggruppati in operoni che

codificano proteine coinvolte in via metaboliche specifiche.

Caratteristiche e Funzioni dei Plasmidi

• Struttura e replicazione dei plasmidi:

• I plasmidi sono piccole molecole di DNA a doppia elica, generalmente circolari, che

possono esistere in diverse copie all'interno della cellula batterica.

• Possono replicarsi autonomamente utilizzando gli enzimi presenti nella cellula ospite

e spesso contengono geni non essenziali per la sopravvivenza, ma utili per

l'adattamento dell'organismo alle condizioni ambientali.

• La loro struttura compatta e la capacità di trasferirsi tra diverse specie batteriche li

rende importanti per la ricerca in biotecnologia e microbiologia.

Tipologie di Plasmidi

• Plasmidi di resistenza e altri gruppi funzionali:

• Plasmidi di resistenza (plasmidi R): Conferiscono resistenza agli antibiotici

attraverso geni specifici che inattivano gli antibiotici o impediscono loro di penetrare

nella cellula batterica.

• Altri plasmidi possono codificare per la produzione di molecole tossiche (come le

tossine batteriche) o per la capacità di colonizzare specifici tessuti dell'ospite.

• Alcuni plasmidi hanno anche funzioni ecologiche cruciali, come la capacità di

degradare contaminanti ambientali o di interagire simbioticamente con piante e

animali.

Conclusione

Gli elementi genetici come cromosomi, plasmidi e genomi virali sono essenziali per

comprendere la variabilità genetica delle popolazioni batteriche e per sviluppare applicazioni

biotecnologiche avanzate. Questi elementi giocano un ruolo fondamentale nella biologia dei

microrganismi e nella loro interazione con l'ambiente e gli organismi ospiti.

Cap. 2 – parte VI

lunedì 17 giugno 2024 09:36

Locomozione microbica

Motilità nelle Cellule Microbiche

• Importanza della motilità:

• La maggior parte delle cellule microbiche è dotata di movimento attivo, noto come

motilità.

• La capacità di muoversi consente alle cellule di esplorare e colonizzare ambienti

diversi, offrendo vantaggi adattativi cruciali come l'accesso a nuove risorse e la fuga

da condizioni dannose.

Tipi di Mov