Appunti di Microbiologia

Microbiologia: batteriologia, protozoologia, micologia e virologia

Procarioti = maggior parte della biomassa terrestre (5 x 10 cellule). "Tappeti microbici" nel terreno spessi diversi cm → tantissimi dato che ad occhio nudo sono invisibili.

In 1 g di suolo: 10 microrganismi. Perché sono così abbondanti? Nel ciclo vitale degradano i corpi morti. Qualsiasi sistema vivente prende energia e materia dall'ambiente e la trasforma in cellule MA non all'infinito, perché le risorse utilizzate si esaurirebbero → risolto con il "tornar polvere": degradare materia e riciclare. Es: ciclo dell'azoto.

Struttura della cellula batterica

Cellula Procariote senza nucleo. Materiale genetico compattato nel nucleoide, immerso nel citoplasma. Ribosomi, proteine, RNA messaggeri… Il tutto protetto da una membrana citoplasmatica (come negli Eucarioti). Parete rigida di peptidoglicano (VS Eucarioti): perché? Sostegno, proteggere dagli urti, filtro, mantenere la forma, evitare che la cellula scoppi (il citoplasma è molto più denso delle cellule eucarioti → scoppia per la pressione osmotica esercitata dal citoplasma). Membrana esterna + strato più esterno polisaccaridico (capsula).

Caratteristiche della membrana citoplasmatica dei procarioti

• Doppio strato fosfolipidico in cui generalmente il colesterolo è assente (solo in batteri che vivono in cellule eucarioti) e al suo posto sono presenti composti derivati dagli stessi precursori del colesterolo denominati opanoidi che servono per conferire rigidità e stabilizzare la membrana.
• Svolge molteplici funzioni metaboliche (respirazione, fotosintesi, sintesi di costituenti cellulari…) perché non ci sono organelli.
• La membrana degli Archaea contiene catene di idrocarburi anziché acidi grassi.
• Organizzazione a mosaico fluido: doppio strato fosfolipidico all'interno del quale fluttuano le proteine.
• La membrana citoplasmatica dei procarioti ha un contenuto maggiore di proteine, rispetto agli eucarioti, perché svolge funzioni molteplici che negli eucarioti sono dislocate sulla membrana degli organelli.
• Proteine con domini idrofobici e idrofilici, possono essere associate a code lipidiche che tengono la proteina associata alla membrana citoplasmatica.

Principali fosfolipidi presenti nella membrana

Steroli e opanoidi diploptene = opanoide nella membrana dei batteri.

Membrana plasmatica negli Archaea

Composizione a base di idrocarburi uniti al glicerolo mediante legami etere. Negli Archaea non ci sono catene di acidi grassi ma catene isopreniche (di isoprene). Le catene si legano al glicerolo (legame che unisce catene isopreniche al glicerolo non è estere come acidi grassi-glicerolo ma etere).

Archaea e batteri

Alcuni Archaea: membrana plasmatica di doppio strato (come Eucarioti) di due catene isopreniche (ca 20 atomi di carbonio) legate al glicerolo (legame etere). Le catene si chiamano FITANILE e si dispongono in un doppio strato per formare la membrana plasmatica. In altri Archaea (es. ipertermofili) la membrana plasmatica è costituita da due catene isopreniche di 40 atomi di C (BIFITANILE) legate con legame etere al glicerolo. Questo perché l'alta T tende a destabilizzare il doppio strato → così è più compatto. (catena più lunga → si alza T fusione). Gli opanoidi sono assenti ma possiamo trovare strutture cicliche: ANELLI CICLOPENTANICI → ruolo analogo agli opanoidi.

Fluidità della membrana

La fluidità della membrana può cambiare in base alle diverse condizioni ambientali: COME? Grado di fluidità della membrana dovuto alle diverse T (più bassa → fluidità diminuisce → più rigida: fosfolipidi molto vicini fra loro, stato cristallizzato) può compromettere la funzionalità della membrana batterica. Come si risolve? Modificando la composizione dei lipidi di membrana. Es: inserire dei doppi legami nelle catene di acidi grassi → distanziano i fosfolipidi della membrana → rapporto acidi grassi saturi/insaturi influenza la fluidità (i doppi legami ne diminuiscono la viscosità e quindi è più fluida). Gli acidi grassi presenti nella membrana dei batteri sono in maggioranza saturi. Il rapporto acidi grassi saturi/insaturi influenza il grado di fluidità della membrana: i doppi legami presenti nelle catene lipidiche ne diminuiscono la viscosità. Il grado di saturazione può variare in risposta a stimoli ambientali.

Enzimi e trasduzione del segnale

Enzimi nel citoplasma o nella membrana introducono cambiamenti negli acidi grassi rendendoli insaturi. Il batterio produce questi enzimi solo quando serve: come fa una cellula batterica a percepire un cambiamento ambientale? Attraverso la trasduzione del segnale: meccanismo che permette di regolare determinati processi in risposta a varietà di fluttuazioni ambientali (T, pH, disponibilità di ossigeno, disponibilità di nutrienti, luce). Come avviene la trasduzione del segnale nelle cellule batteriche? Attraverso i sistemi a due componenti: due componenti proteiche: "sensore" nella membrana citoplasmatica (parte idrofobica e due domini: uno sporge nel citoplasma e uno nello spazio extracitoplasmatico) e il "regolatore della risposta". Dominio extracitoplasmatico percepisce il segnale (variazione o molecola) e cambia conformazione → il cambiamento strutturale fa sì che il dominio citoplasmatico si associ ad una molecola di ATP (dominio con attività chinasica-fosforilazione) → trasferisce il P dell'ATP a un residuo di istidina nel dominio chinasico (autofosforilato). Interagisce con una proteina citoplasmatica = regolatore della risposta → il dominio chinasico trasferisce il P in un residuo di acido aspartico che si trova nel regolatore = trasferimento del segnale.

Regolatore della risposta

Il regolatore della risposta come fa a influenzare il cambiamento della fluidità della membrana? Il regolatore è una proteina che interagisce con una sequenza genomica nell'operatore di uno o più geni → attiva l'espressione di un gene (es quello che produce enzima che introduce un doppio legame). Il regolatore della risposta fosforilato generalmente è un regolatore trascrizionale. Ci sono meccanismi poi per bloccare il processo (regolazione). Come? Batterio produce una fosfatasi che defosforila il regolatore della risposta (quando cessa il segnale ambientale perché il processo di fosforilazione è più veloce della defosforilazione → ci sarà sempre un regolatore fosforilato finché c'è segnale ambientale).

Membrana estesa

A seconda delle funzioni che il batterio svolge la membrana può essere estesa e ripiegata su se stessa: Membrane fotosintetiche di un batterio fototrofo: ampie introflessioni per aumentare la superficie della membrana in modo da intensificare le attività metaboliche fotosintetiche (sulla membrana: enzimi per la fotosintesi → molto estesa e ripiegata).

La struttura generale della membrana citoplasmatica è stabilizzata da interazioni idrofobiche e da cationi divalenti (Mg²⁺, Ca²⁺) che stabiliscono interazioni ioniche con le cariche negative dei fosfolipidi. Gli ioni mantengono l'integrità della membrana (neutralizzano le cariche negative dei fosfolipidi → riducono la repulsione elettrostatica delle teste dei fosfolipidi).

Funzioni della membrana citoplasmatica

• Barriera con permeabilità selettiva
• Trasporto attivo di nutrienti e sostanze di scarto (selettivo e richiede energia)
• Produzione di energia (PMF)
• Biosintesi dei componenti cellulari: fosfolipidi, peptidoglicano (alcuni passaggi), lipopolisaccaride (alcuni passaggi)

Esempi domande aperte

• Differenza membrana citoplasmatica Batteri e Archaea
• Come i batteri percepiscono i cambiamenti ambientali: descrivi il sistema a due componenti e fai come esempio il sistema a due componenti che regola la chemiotassi.

Citoplasma

Molto denso: per questo c'è la parete rigida, che contiene l'elevata pressione osmotica esercitata dal citoplasma. Inclusioni = dispense di sostanze di riserva/cibo che il batterio usa quando quel nutriente scarseggia (es. il carbonio, che è un elemento fondamentale). Dispense concentrate nei corpi di inclusione, che servono anche per ridurre la pressione osmotica.

• Sostanze di riserva:
• Carbonio → acido poli-β-idrossibutirrico → glicogeno
• Polifosfati (polimeri di P inorganico) → fonte di fosfato per sintesi acidi nucleici e fosfolipidi
• Granuli di zolfo
• Magnetosomi
• Carbossisomi

Il poli-β-idrossibutirrato è un polimero di acido butirrico. I monomeri di acido butirrico sono legati tramite legame estere a formare lunghi polimeri di PHB che si aggregano in granuli = fonte di riserva di carbonio. Granuli delimitati da un monostrato di membrana (monolayer) → inclusioni → riducono la pressione osmotica. I granuli di PHB vengono sintetizzati quando il C è in eccesso nell'ambiente e sono utilizzati come basi di C nei processi biosintetici o per produrre ATP. Anche il glicogeno (polimero del glucosio) può accumularsi nel citoplasma come fonte di carbonio.

Cianobatterio: corpi di inclusione particolari:

• Cianoficina = polimero di acido aspartico e arginina in quantità circa uguale fonte di azoto.
• Carbossisomi: microcompartimenti cellulari contenenti enzimi per la fissazione della CO₂ osservati per la prima volta nei cianobatteri (si trovano anche in altri microrganismi fotosintetici).
• Magnetosomi: corpi di inclusione contenenti magnetite (Fe₃O₄). In ambienti ricchi di zolfo possono contenere greigite (Fe₃S₄) o pirite (FeS₂). Delimitati da membrana (invaginazioni della membrana plasmatica) contenente un monostrato di fosfolipidi e proteine per la precipitazione a magnetite dello ione ferrico (Fe³⁺) trasportato attraverso la cellula in forma solubile. Consentono l'orientamento della cellula in un campo magnetico (magnetotassi) (soprattutto organismi oceanici, uccelli migratori e delfini).
• Vescicole gassose: organi di galleggiamento lungo la colonna d'acqua (in alto e in basso). Strutture proteiche cave impermeabili all'acqua ma penetrabili dai gas. Diminuiscono la densità cellulare aumentando la capacità di galleggiare. Tipiche nei cianobatteri. Si trovano nel citoplasma. Come mai non entra l'acqua? Le proteine che rivestono la struttura sono idrofobiche. Proteine:
  • GvpA è una piccola proteina idrofobica e rigida (resistenza alla elevata pressione esercitata dall'esterno); costituisce il 97% delle proteine totali delle vescicole gassose.
  • GvpC serve per rafforzare l'involucro composto da GvpA; presente in quantità inferiore.

Scopo = movimento → posizionarsi nel punto ideale per captare la luce. Es. batteri purpurei sulfurei contengono queste vescicole. Producono energia ossidando il solfuro di idrogeno (inorganico).

La cellula procariotica

Esistono due gruppi di procarioti, assai diversi tra loro: i batteri (o Eubatteri) e gli Archeobatteri. I procarioti sono piccoli e strutturalmente semplici, tuttavia spesso hanno forme e dimensioni diverse. I batteri che hanno una forma sferica in generale finiscono con -coccus.

Meningite e gonorrea: meningococcus

Genere Bacillus: organismi a forma bastoncellare. Spirochete sono a molla. Genere: Leptospira Genere: TreponemaFamiglia: Leptospiraceae Famiglia: Spirochaetaceae Phylum: Spirochaetes Phylum: Spirochaetes Spirullum volutans Bacillus subtilis Vibrio cholerae: morfologia cellulare a virgola (vibrioni) Vibroni = batteri a forma di virgola.

Batteri quadrati di Walsby sono Archea. Sopravvivono in ambienti con alta concentrazione salina. Caulobacter crescentus: peduncolo per rimanere attaccato al substrato. Quando si divide, la cellula figlia produce un flagello per andare via. Diplococchi e streptococchi: divisione lungo uno stesso piano. Gli streptococchi si dividono e rimangono attaccati, formando delle catenelle. Diplococchi = streptococchi attaccati a due a due. Tetrade: rimangono attaccati e si dividono su due piani. Es: Micrococcus Sarcina: divisione su tre piani Staphylococcus: divisione su più piani, in tutte le direzioni → grappoli.

Streptococcus pnemoniae veniva chiamato diplococcus: quando si divide tende a rimanere attaccato alla cellula figlia. In alto a dx: striscio di sangue: causa polmonite e meningite (nel polmone arriva perché si respira, nel cervello arriva tramite il sangue - attraversa i tessuti e va nel sistema circolatorio -) Unico ospite naturale = uomo. Di solito sta nelle vie respiratorie superiori. Il problema è quando arriva ai polmoni o alle meningi. Streptoc → forma sferica ma non perfetta (leggermente appuntita).

• Streptococcus pyogenes (streptococco): cellule si dividono sempre sullo stesso piano e restano attaccate tra di loro → catenella (streptobacilli).
• Bacillus megaterium (streptobacillo)
• Micrococcus luteus: formazione di tetradi in seguito a divisione cellulare su due piani diversi (frecce).

Le dimensioni dei batteri sono comprese tra 0,2 μm e 7 μm. Tuttavia ci sono anche batteri di dimensioni maggiori come il cianobatterio Oscillatoria (8 x 10⁵⁰ μm). Sono stati scoperti procarioti talmente grandi che sono visibili ad occhio nudo. Es: epulopiscium. Visibile ad occhio nudo (600x80 μm).

Parete cellulare dei procarioti

Membrana citoplasmatica circondata da parete cellulare: struttura rigida ma elastica ed estendibile all'esterno della membrana citoplasmatica. Presente nella maggior parte dei procarioti (pochi procarioti ne sono sprovvisti) – contribuisce a determinare la forma della cellula procariotica – impedisce la lisi osmotica (pressione osmotica esercitata dal citoplasma è troppo elevata) – filtro per sostanze tossiche – elemento essenziale per la sopravvivenza della cellula batterica: bersaglio di molti antibiotici. La parete è formata da peptidoglicano, un polimero costituito da monomeri legati tra loro.

Unità monomerica: due amminozuccheri (NAG e NAM) uniti da un legame gliscosidico β 1-4, che è bersaglio del lisozima (proteina che si trova anche nella saliva, che regola la quantità dei microrganismi). Struttura dell'unità del peptidoglicano (o mureina): Peptidoglicano = polimero composto da una componente peptidica e una glicanica, formato dall'unione di subunitá monomeriche tutte identiche.

Componente glicanica: due aminozuccheri: l'N-acetilglucosamina e l'acido N-acetil-muramico (lactil etere della N-acetilglucosamina). Ciò che distingue il NAM dalla NAG è la presenza di un residuo di acido lattico, infatti il NAM è considerato un lactil etere della NAG. Per sintetizzare il NAM la cellula parte dalla NAG. Le due unità saccaridiche sono unite insieme da un legame β-1,4 glicosilico, bersaglio del lisozima che idrolizza quindi il peptidoglicano. Gli enzimi che catalizzano la formazione del legame glicosilico β-1,4 sono delle transglicosilasi, che possono essere bersaglio delle penicilline.

Componente peptidica: breve catena di 4 amminoacidi (composizione peptidoglicano di E. coli e dei batteri gram negativi in generale). I 4 aa sono: L- alanina, acido D-glutamico, acido meso-diamino-pimelico, D-alanina. Gli amminoacidi delle proteine hanno configurazione L, ma qua abbiamo alternanza tra configurazione D e L: perché? Rende il peptidoglicano più resistente all'azione delle proteasi. Nei gram positivi, al posto dell'acido meso-diamino-pimelico è presente una L-lisina (ricorda).

Il gruppo COOH della D-alanina può essere collegato ad un ponte peptidico o al gruppo NH del DAP (acido diamino-pimelico) nei gram negativi o alla L-lys (nei gram positivi) di un'altra catena tetrapeptidica (legami crociati). Le transpeptidasi catalizzano la formazione dei legami crociati che uniscono tra loro le catene tetrapeptidiche (bersaglio di penicilline anche lui). Le unità monomeriche sono unite tra loro a formare filamenti. Al NAM è associata una catena tetrapeptidica. Sia gli amminozuccheri che le catene peptidiche sono legate fra loro a formare una maglia che riveste la superficie della cellula batterica.

Peculiarità: nello Staphylococcus aureus, un G+, i due filamenti di peptidoglicano sono uniti a livello delle catene tetrapeptidiche da un ponte di 5 glicine. Esse sono legate da una parte alla D-alanina e dall'altra alla L-lisina. In realtà gli studi hanno evidenziato che la catena di peptidoglicano è elicoidale e i peptidi protrudono all'esterno in direzioni diverse per prendere contatto con le catene limitrofe. Perché sono 5 aa e non 4? Quando le unità monomeriche sono unite a formare la maglia di peptidoglicano che riveste la cellula batterica, l'unità monomerica ha 4 aa. Tuttavia quando viene sintetizzata l'unità prima di essere assemblata a formare l'involucro, viene sintetizzata con una catena di 5 a, di cui uno viene perso durante la formazione dei legami crociati.

Il numero di unità monomeriche in una catena di peptidoglicano può variare in base alle dimensioni della cellula: 50-250 in Bacillus; 18 in S. aureus, entrambi G+.

Biosintesi del peptidoglicano

Avviene in tre steps, ognuno in un distretto cellulare diverso:

• Citoplasma → Sintesi dei precursori del peptidoglicano
• Membrana citoplasmatica → Sintesi …