Appunti di microbiologia

Microbiologia: dimensione e morfologia delle cellule batteriche

Importanza della forma e dimensioni delle cellule batteriche

La forma e le dimensioni delle cellule batteriche sono alla base della microbiologia classica e rappresentano ancora oggi un valido mezzo per l'identificazione dei microrganismi. Combinato alle procedure di colorazione, sono uno dei sistemi di routine che vengono utilizzati in laboratorio per una prima classificazione dei microrganismi. Naturalmente, essi sono un criterio iniziale, poiché l'identificazione vera e propria di una specie è basata sullo studio delle caratteristiche genetiche e fisiologiche del microrganismo.

Forme cellulari

I batteri rappresentano una notevole varietà di forme che possono però essere ridotte a due fondamentali morfologie: la cilindrica e la sferica. I batteri di forma cilindrica sono chiamati bacilli o bastoncini, mentre quelli di forma sferica cocchi. Quando i bacilli assumono forme ricurve a virgola sono chiamati vibrioni, mentre quando sono allungati e spiraliformi sono chiamati spirilli se rigidi, o spirochete se flessibili. Inoltre, le estremità della cellula cilindrica sono spesso differenti nelle diverse specie di batteri: possono essere arrotondate o biforcute.

A complicare la situazione vi sono anche batteri detti pleomorfici, i quali hanno la capacità di modificare la morfologia delle cellule, rendendo difficile definire per questi microrganismi una forma caratteristica. Sia i cocchi che i bacilli possono presentarsi al microscopio come cellule isolate, ma molto più frequentemente possono dare origine a catene di cellule di varia lunghezza. Una catena costituita da due cellule sferiche è detta diplococco; se la catena è più lunga si chiama streptococco, mentre un aggregato disordinato di cellule è chiamato stafilococco. Anche i bacilli possono formare catene costituite da due cellule, i diplobacilli, o catene formate da un numero superiore di cellule, gli streptobacilli.

Una divisione particolare porta invece alla formazione delle sarcine, con divisione cellulare lungo tre assi perpendicolari, dando origine a un aggregato a forma di cubo con quattro cocchi per lato, utilizzato come criterio di identificazione dei batteri.

Dimensioni cellulari

Le cellule batteriche hanno dimensioni espresse in μm. Il diametro delle cellule procariotiche varia da 0,1 μm a 2 μm, mentre la lunghezza è compresa tra 0,1 e 8 μm. Il diametro delle cellule eucariotiche, invece, può variare dai 2 ai 200 μm. Le cellule procariotiche hanno una maggiore superficie disponibile per effettuare gli scambi in entrata e in uscita con l'ambiente esterno, permettendo loro di rispondere rapidamente alle variazioni delle condizioni ambientali esterne, poiché la velocità con cui avvengono gli scambi è molto più elevata rispetto a quella richiesta da cellule di maggiori dimensioni.

Questa caratteristica influenza notevolmente anche la velocità del metabolismo cellulare e, di conseguenza, la velocità di crescita.

La struttura della cellula

Le cellule procariotiche possono, da un punto di vista strutturale, essere divise in tre regioni:

• La regione costituita da appendici attaccate saldamente alla superficie cellulare, come i flagelli, i pili e le fimbrie.
• La regione costituita dalla membrana, da una parete cellulare, in alcuni casi da una membrana esterna, da una capsula e da uno strato S.
• La regione citoplasmatica contenente il genoma, i ribosomi, le vescicole gassose, i magnetosomi, i carbossisomi, i clorosomi ed eventuali inclusioni di materiale di riserva.

Tutte le cellule batteriche possiedono la parete cellulare, la membrana cellulare, il citoplasma, il genoma e i ribosomi. Solo alcune cellule possiedono pili, flagelli, capsula, strato mucoso, strato S, magnetosomi e vescicole gassose.

Categorie batteriche: Gram positivi e Gram negativi

In microbiologia i microrganismi vengono divisi in due categorie, in base alla diversa risposta alla colorazione di Gram: i batteri Gram positivi e i batteri Gram negativi. Tutti i Gram negativi possiedono una membrana esterna, assente nei Gram positivi, che ricopre la parete cellulare.

Membrana citoplasmatica

Una delle caratteristiche accomunanti tutte le cellule, eucariotiche e procariotiche, è la presenza della membrana cellulare, una struttura dello spessore di circa 8 nm composta da un doppio strato fosfolipidico che separa fisicamente l'interno della cellula. La sua integrità è fondamentale per la vita delle cellule batteriche, preservandole da eventi fisici come trattamenti termici o composti chimici che ne alterino la struttura, o che includono la morte della cellula stessa.

Struttura della membrana cellulare

Questa struttura è stata alla base dello sviluppo del modello di mosaico fluido con cui si descrive, dagli anni settanta, la struttura delle membrane biologiche. I fosfolipidi sono molecole contenenti una componente idrofilica, il gruppo fosforico, e una regione fortemente idrofobica, gli acidi grassi. Quando sono in soluzioni acquose, tendono a disporsi in un doppio strato, con le regioni polari all'esterno e gli acidi grassi all'interno.

Le membrane dei procarioti sono generalmente prive di steroli, molecole che hanno funzione di stabilizzazione della membrana. I fosfolipidi della membrana sono in grado di mantenere il corretto grado di fluidità, uno stato essenziale per assolvere alle sue funzioni biochimiche.

Adattamento alla temperatura

Le cellule procariotiche, al variare della temperatura ambientale, mantengono lo stato fisico funzionale della membrana modificando la composizione in acidi grassi. Sono stati descritti tre principali meccanismi di adattamento alla diminuzione della temperatura ambientale:

• L'accorciamento della catena degli acidi grassi dei fosfolipidi.
• La formazione di acidi ramificati.
• L'induzione di doppi legami.

Mentre i primi due meccanismi, l'accorciamento e la ramificazione degli acidi grassi, richiedono la sintesi di nuovi fosfolipidi, l'introduzione di doppi legami avviene ad opera di enzimi, le denaturasi, direttamente nella cellula batterica.

Funzione della membrana cellulare

La membrana cellulare nei procarioti svolge differenti funzioni fondamentali per la cellula:

• È una barriera al passaggio di molecole polari e consente alla cellula di mantenere elevate concentrazioni di soluti nel citoplasma.
• È sede dei processi di trasporto delle molecole e di secrezione ed esportazione.
• È coinvolta nei processi di crescita e divisione cellulare.
• È sede dei processi di formazione e mantenimento dell'energia, come la catena di trasporto degli elettroni, la fotosintesi e il mantenimento della forza proton motrice.

Sistemi di trasporto

La membrana cellulare, per le sue proprietà fisico-chimiche, è scarsamente permeabile ai soluti. È fortemente impermeabile agli ioni e alle molecole polari di elevata massa molecolare. Le cellule batteriche dispongono di una serie di meccanismi di trasporto, basati sulla presenza nella membrana di specifiche proteine, per consentire il passaggio di queste sostanze attraverso il doppio strato fosfolipidico, permettendo così l'accumulo dei soluti nel citoplasma.

Trasporto passivo

Sebbene molecole polari di piccole dimensioni, come l'acqua e il glicerolo, possano diffondere attraverso la membrana, nei batteri esistono dei trasportatori specifici, come le acquaporine, proteine di membrana che formano canali per facilitare il passaggio di queste molecole. Le acquaporine consentono il passaggio delle molecole di acqua attraverso la membrana, presentando una struttura composta da più α eliche localizzate nel doppio strato fosfolipidico. La struttura terziaria forma un canale con un restringimento centrale di circa 2,8 Å caratterizzato dalla presenza di aminoacidi residui.

Trasporto attivo

La maggior parte delle molecole entranti nella cellula devono essere trasportate contro gradiente di concentrazione. In funzione delle fonti di energia, si possono distinguere i meccanismi di trasporto attivo in:

1. Trasporto attivo primario, dove l'energia per il trasporto contro gradiente è fornita dall'idrolisi dell'ATP.
2. Trasporto attivo secondario, nel quale l'energia libera del gradiente elettrochimico di membrana è impiegata per trasportare un soluto attraverso la membrana contro gradiente di concentrazione.
3. Traslocazione di gruppo, che si basa sul trasferimento di un gruppo fosforico.

Tra i sistemi di trasporto attivo primario maggiormente diffusi nei procarioti ci sono i trasportatori ABC (ATP-binding cassette). Questi trasportatori attraverso la membrana sono caratterizzati dalla presenza di più subunità: le proteine con funzione di riconoscimento dei substrati sono presenti nel lato esterno della membrana. Le subunità coinvolte nella formazione del canale sono proteine integrali di membrana e le ATPasi, che liberano l'energia per il trasporto, sono localizzate nel citoplasma a contatto con il lato interno della membrana.

Sistemi di trasporto attivo secondario

Esistono differenti sistemi di trasporto attivo secondario, che impiegano il gradiente elettrochimico di membrana per trasferire soluti all'interno della cellula. Spesso questi meccanismi di trasporto funzionano grazie all'entrata (simporto) o all'uscita (antiporto) di altri composti dalla cellula.

• Nei sistemi di simporto, un composto chimico, generalmente l'idrogeno, entra nella cellula in gradiente di concentrazione e consente l'entrata di un soluto contro gradiente.
• Nei sistemi di antiporto, l'uscita dalla cellula di un composto è accompagnata dall'entrata di soluto.

Traslocazione di gruppo

Un altro sistema di trasporto attivo è la traslocazione di gruppo, un processo nel quale una sostanza viene modificata nel corso del trasporto attraverso la membrana. Tipico dei batteri PEP-PTS, questo sistema impiega il gruppo fosforico del PEP allo zucchero, ottenendo così il primo intermedio della via glicolitica, grazie all'intervento di una serie di proteine enzimatiche, caratterizzate dalla presenza nel sito di legame del gruppo fosfato di un residuo istidina che funziona da accettore donatore.

Secrezione delle proteine

Le cellule batteriche devono rilasciare nell'ambiente circostante differenti proteine coinvolte nei processi di degradazione dalle macromolecole. Questi enzimi responsabili dell'idrolisi vengono rilasciati all'esterno della cellula, che introduce al suo interno solo i prodotti derivati dalla degradazione del substrato. In alcuni casi le proteine rilasciate nell'ambiente esterno possono ricoprire interamente la parete cellulare, come lo strato S, o S-layer. Alcune proteine secrete dalla cellula hanno invece importanti funzioni, permettendo, ad esempio, l'adesione ai tessuti.

Il processo di trasporto di una proteina dal citoplasma attraverso la membrana all'esterno della cellula viene chiamato secrezione. Con il termine esporto si definisce il trasporto di una proteina dal citoplasma allo spazio periplasmico; pertanto, non è corretto impiegare il termine "esporto" per le proteine dei batteri Gram-positivi.

Parete cellulare

La maggior parte dei procarioti possiede una parete cellulare rigida. Questa struttura è particolarmente importante per la vita delle cellule procariotiche in quanto le protegge sia da eventuali danni meccanici sia dai danni provocati dalla pressione osmotica. La parete cellulare deve rispondere, quindi, a particolari requisiti, quali un'adeguata porosità per consentire gli scambi tra cellula e ambiente esterno e una rigidità sufficiente a fronteggiare le pressioni intracellulari. Oltre a queste caratteristiche, deve essere sufficientemente elastica.

Peptidoglicano

Il peptidoglicano è caratteristico delle cellule batteriche e non si trova in nessun altro organismo in natura. La composizione, lo spessore dello strato di peptidoglicano e le sue proprietà, tra cui l'elasticità, possono essere studiate dopo adeguati trattamenti effettuati sulle cellule batteriche allo scopo di ottenere dei sacculi. I sacculi sono delle pareti cellulari ottenute per rottura meccanica delle cellule, trattate opportunamente allo scopo di allontanare tutte le molecole associate al peptidoglicano, che può essere analizzato sia per le sue proprietà fisiche che per la sua composizione chimica. Il peptidoglicano è comune a tutti i batteri, siano essi Gram-positivi o Gram-negativi.

Sintesi del peptidoglicano

La cellula in crescita, cioè in divisione, necessita di produrre nuovo peptidoglicano. La sintesi dei precursori della parete cellulare avviene nel citoplasma e all'interno della membrana cellulare. L'aggiunta delle unità ripetitive al peptidoglicano in crescita avviene all'esterno della membrana cellulare. La sintesi dei precursori della parete cellulare inizia nel citoplasma e porta alla formazione dell'UDP-N, chiamato anche pentapeptide di Park. Nella membrana al pentapeptide di Park viene addizionata l'N-acetil glucosamina, costituendo l'unità ripetitiva del peptidoglicano che è trasportata fuori dalla membrana citoplasmatica e legata alla struttura del peptidoglicano in crescita.

I mollicuti: i batteri senza parete

I mollicuti rappresentano le più semplici e piccole cellule capaci di replicare. Questi procarioti derivano, da un punto di vista evolutivo, da batteri Gram-positivi. La semplice organizzazione di queste cellule, rispetto a quelle complesse da cui derivano, è dovuta a un'evoluzione regressiva che ha portato, tra l'altro, in questi microrganismi, a una riduzione del genoma. Strutturalmente, i mollicuti sono caratterizzati dalla mancanza di parete cellulare e dalla presenza di un citoscheletro situato all'interno della cellula. Mancano inoltre delle appendici legate alla parete cellulare, come flagelli, responsabili della motilità delle cellule batteriche. Questi organismi possono colonizzare la mucosa del tratto urogenitale e respiratorio sfruttando piccole lesioni che ne consentono la penetrazione.

Acidi teicoici

Gli acidi teicoici sono componenti della parete cellulare della maggior parte dei batteri Gram-positivi. Questi composti sono polimeri di ribitolo o glicerolfosfato ai quali sono legati residui glicosilici e di esteri di D-alanina. Gli acidi teicoici di parete sono covalentemente legati al peptidoglicano e sono orientati perpendicolarmente alla superficie della parete cellulare. Gli acidi lipoteicoici, localizzati nell'interfaccia tra membrana e parete cellulare, contengono una regione glicolipidica ancorata nella membrana citoplasmatica e alla catena di poliglicerolfosfato che si estende nella parete cellulare. Gli acidi teicoici interagiscono con l'attività delle autolisine, gli enzimi coinvolti nella digestione del peptidoglicano e del metabolismo della parete cellulare.

Divisione cellulare

La divisione delle cellule nei batteri è un processo che porta all'allungamento della cellula, alla costituzione del setto di divisione, con la formazione di due nuovi poli e al rimodellamento degli involucri cellulari: la membrana, la parete, la membrana esterna e l'S-layer, se presenti. Questo processo è attuato da un sistema enzimatico complesso, composto da più proteine conservate nelle specie batteriche differenti. La sintesi di nuova parete avviene tramite l'incorporazione nella parete cellulare di nuovo peptidoglicano. Un ruolo chiave in questo processo è giocato dalle penicillin-binding proteins (proteine così chiamate perché legano la penicillina), localizzate nella parte esterna della membrana cellulare e ancorate alla membrana stessa da un peptide N-terminale che non viene tagliato. Questi enzimi catalizzano i legami crociati tra il nuovo peptidoglicano e la mureina preesistente nella parete. Il processo di allungamento e divisione necessita anche di specie enzimi, le peptidoglicano idrolasi o autolisine. Questi enzimi tagliano i legami covalenti della mureina già presente nella parete, consentendo l'inserimento del peptidoglicano di nuova sintesi.

Nelle cellule batteriche a forma bacillare esistono due vie di incorporazione di peptidoglicano nella parete: la prima, chiamata sintesi laterale, è associata all'allungamento della cellula, avvenente per inserimento di nuovo peptidoglicano lungo una struttura elicoidale. La seconda via è la sintesi che avviene nella regione centrale della cellula e porta alla formazione del setto.