Riassunto esame Microbiologia, Prof. Polissi Alessandra, libro consigliato Biologia dei microrganismi, Gianni Dehò e Enrica Galli

La capsula

Molti procarioti sintetizzano polimeri organici che vengono depositati all'esterno della parete cellulare sotto forma di uno strato lasso e a volte amorfo chiamato capsula o strato mucoso. Troviamo macrocapsule visibili al microscopio ottico in seguito a colorazione, microcapsule individuabili solo con anticorpi e lo strato S che è uno strato proteico superficiale a struttura regolare. Le capsule sono composte principalmente da polisaccaridi, occasionalmente da misture di polisaccaridi e polipeptidi. Sono connesse con la parete cellulare con legami ionici o covalenti. La capsula del Bacillus antracis è formata da acido D-glutammico, covalentemente legata al peptidoglicano. La capsula non è essenziale ma permette di evadere la fagocitosi ed il sistema del complemento. È quindi un fattore correlato alla patogenicità.

La spora batterica

La formazione della spora è un esempio di differenziamento batterico. È una specializzazione

Siadal punto di vista funzionale che strutturale. Il processo è innescato da condizioni di stress come l'esaurimento di nutrienti necessari per la crescita (non deve essere tale da bloccare subito il metabolismo cellulare), con lo scopo di sopravvivere a condizioni ambientali avverse. Il processo di sporulazione si verifica solo in presenza di batteri sporigeni. I procarioti che vanno incontro a differenziamento sono in genere capaci di ritornare alla loro forma originale, tranne per l'eterocistie i batteroidi che sono a senso unico e permettono la fissazione dell'azoto. Dalla cellula vegetativa si forma una spora che può germinare, dando di nuovo origine a una cellula vegetativa. Non si tratta quindi di una divisione cellulare. Negli eucarioti il processo di differenziamento è quasi sempre a senso unico.

Molti batteri hanno la capacità di formare un caratteristico tipo di cellula quiescente detta endospora in quanto si forma all'interno.

La produzione di endospore può essere innescata anche dalla densità cellulare e dalla sintesi del DNA attiva per iniziare il processo di sporulazione. Colture a bassa densità cellulare non sporulano. Il processo di sporulazione porta alla formazione all'interno della cellula vegetativa di un nuovo tipo di cellula diversa per ultrastruttura, composizione chimica e proprietà fisiologiche dalla cellula madre. L'endospora entra in un lungo periodo di quiescenza che può durare anche anni e, se sottoposta a particolari stimoli, può germinare a dare origine a una nuova cellula vegetativa.

Al microscopio ottico le spore appaiono come corpi rifrangenti impermeabili ai coloranti usati per colorare le cellule batteriche. Presentano resistenza al calore, ad agenti chimici, ad agenti fisici, sono altamente disidratate e presentano acido dipicolinico e Ca2+.

Il modo per uccidere le spore è attraverso la sterilizzazione per autoclave. Tra i generi sporigeni troviamo i Bacillus, i Clostridium, i Desulfotomacolum, gli Sporolactobacillus e gli Sporosaracina. La spora è rivestita da uno strato di peptidoglicano diverso da quello presente nella parete cellulare e da uno strato proteico chiamato tunica sporale. A volte può essere presente un ulteriore strato detto esosporio. La tunica sporale conferisce l'aspetto rifrangente, responsabile della resistenza agli enzimi litici. Il core deidratato presenta il cromosoma batterico e pochi ribosomi ed enzimi per iniziare la sintesi proteica e il metabolismo durante la germinazione. Il complesso Ca-acido dipicolinico rappresenta il 10% del peso secco dell'endospora e ne facilita la disidratazione. Si intercala nel DNA conferendo stabilità alla denaturazione termica. Troviamo inoltre le proteine SASP che legano il DNA nel core e lo proteggono dai danni delle radiazioni UV e dall'essiccamento.

Sono una fonte di carbonio durante la germinazione. La formazione dell'endospora presenta 7 stadi. Si parte dalla cellula vegetativa nella quale il DNA si addensa. Si forma un'invaginazione nella spora in via di sviluppo e il setto della spora cresce intorno al protoplasto (invaginazione). Si forma la prespora e inizia il differenziamento della membrana esterna e interna della spora. Si ha una disidratazione con la comparsa dell'esosporio e la formazione della corteccia. La disidratazione del core viene completata e si ha la produzione di proteine SASP, acido dipicolinico, la formazione del rivestimento e si ha l'incorporazione del calcio. All'ultimo stadio si ha la maturazione che permette la resistenza al calore ed agli agenti chimici. Infine, si ha la lisi della cellula e il rilascio della spora. Questo processo può durare fino a 8 ore e necessita di un'espressione di specifici geni temporalmente e spazialmente regolata. La germinazione è

fissazione della CO nel ciclo di Calvin.

Le sostanze di riserva sono spesso sotto forma di inclusioni citoplasmatiche granulari. Possiamo trovare ad esempio polisaccaridi contenenti glucosio come il glicogeno, l'amido e il poliidrossibutirrato. Una data specie batterica produce un unico tipo di sostanza di riserva. Il materiale di riserva è ridotto nelle cellule in fase di crescita attiva mentre è accumulato in condizioni di carenza di N, ma ancora in presenza di fonti di c ed energia. La sintesi del materiale di riserva permette l'accumulo di una fonte di c in forma osmoticamente inerte. L'accumulo e il loro utilizzo sono strettamente regolati.

IL GENOMA DEI PROCARIOTI

Nei procarioti l'informazione genetica è organizzata in un DNA cromosomale e in uno extracromosomale. Il DNA cromosomale è solitamente organizzato in una sola molecola circolare. Troviamo gruppi che fanno eccezione che presentano un cromosoma lineare oppure

Due cromosomi lineari/circolari di cui uno è più piccolo. Il DNA extracromosomale è definito DNAplasmidico con plasmidi che possono essere lineari o circolari. All'interno del cromosoma troviamo elementi virali, elementi plasmidici ed elementi trasponibili.

Il sequenziamento del DNA batterico ha permesso di capire che il genoma dei procarioti è come una sorta di puzzle che comprende modificazioni date da interazioni precedenti. Il trasferimento genico orizzontale giustifica questa conformazione del DNA batterico. Le dimensioni tipiche del cromosoma è di 5000000 pdb (paia di basi) → 1,7mm. Il DNA batterico deve essere altamente compatto in quanto le sue dimensioni sarebbero più grandi di quelle della cellula stessa. Gli antibiotici hanno come bersaglio principale i meccanismi di compattamento del DNA e i processi di duplicazione-replicazione. Il DNA è associato a proteine, ma non è altamente organizzato come negli eucarioti.

Troviamo proteine NAP (nucleoid associated proteins) e SMC (structural maintenance of chromosome). Al microscopio elettronico il nucleoide appare come una struttura centrale più condensata, circondata da numerose anse arrotolate su sé stesse.

L'enzima fondamentale che permette la compattazione del DNA è la DNA girasi, presente in tutti i procarioti. È un enzima essenziale. La modifica o l'inattivazione del gene che codifica per questo enzima porta alla morte della cellula batterica. Porta alla formazione di superavvolgimenti negativi. Il superavvolgimento è modulato da enzimi chiamati topoisomerasi. La topoisomerasi I porta alla rottura di un singolo filamento che rilassa la molecola. La topoisomerasi II porta alla rottura del doppio filamento e introduce superavvolgimenti negativi.

Il cromosoma circolare è organizzato in domini topologici indipendenti. Ciascun dominio si trova in uno stato superavvolto. Introducendo una rottura in un

dominio si otterrà il rilassamento del solo dominio e non dell'intera molecola. Questi domini sono il substrato della DNA girasi. La girasi appartiene alla famiglia delle topoisomerasi II, che catalizzano la rottura del doppio filamento e introduce gli avvolgimenti negativi. In Escherichia coli troviamo le proteine GyrA e GyrB. La girasi in E. coli agisce aggiungendo superavvolgimenti negativi, richiedendo energia. GyrB ha attività ATPasica mentre GyrA catalizza la rottura e la riunione della molecola di DNA.

La replicazione del DNA batterico segue regole simili a quelle che valgono per il DNA delle cellule eucariotiche. Tuttavia, l'apparato di replicazione è piuttosto diverso. Non sono stati trovati alcun antibiotici importanti che inibiscano la replicazione del DNA batterico. Le conoscenze sulla replicazione batterica derivano dallo studio di E. coli. Il suo meccanismo comprende almeno 20 proteine, con 5 complessi enzimatici ad attività polimerasica.