Appunti microbiologia

Struttura e funzioni delle cellule procariote

La caratteristica primaria che distingue le cellule eucariote da quelle procariote è costituita dal nucleo. Nella cellula procariota, la membrana nucleare è assente e il materiale genetico è a diretto contatto con il citoplasma e forma una struttura chiamata nucleoide. Tutte le cellule sono dotate di membrana plasmatica che separa il contenuto citoplasmatico dall'esterno e regola il trasporto dei nutrienti e sostanze di rifiuto. La composizione del citoplasma è simile tra i due tipi di cellule, così come entrambi contengono i ribosomi, necessari per svolgere la sintesi proteica.

Divisione cellulare e diversità nei procarioti

La divisione cellulare nei procarioti avviene in genere per scissione binaria. Durante questo processo, il DNA viene replicato e ciascuna cellula figlia ne riceve una copia. I procarioti non costituiscono un gruppo filogeneticamente omogeneo. Al suo interno si identificano due distinti domini, Bacteria e Archaea. La tipica dimensione dei batteri va da 0,2 a 2 μm. Questo fa sì che il rapporto superficie/volume delle cellule procariote sia in genere molto più elevato di quello delle cellule eucariote.

Forma e struttura delle cellule batteriche

I batteri presentano una limitata varietà di forme. Quelle più comuni sono la forma sferica e quella bastoncellare, che prendono rispettivamente il nome di cocco e bacillo. Quando i cocchi si dividono possono rimanere attaccati in vario modo uno all'altro. Se restano appaiati dopo la divisione si chiamano diplococchi, se formano catenelle si dicono streptococchi. Forma e dimensione hanno una grande importanza per le funzioni cellulari soprattutto rispetto alla diffusione e all'assorbimento di nutrienti.

Recentemente sono state identificate proteine che presentano similarità con proteine del citoscheletro delle cellule eucariote e che controllano la forma e le dimensioni delle cellule batteriche durante l'accrescimento. Un elemento del citoscheletro batterico è FtsZ, una proteina simile alla tubulina che durante il processo di divisione cellulare si localizza in posizione mediana e forma un anello che coordina la sintesi della nuova parete cellulare che separerà le due nuove cellule.

Un'altra proteina citoscheletrica dei batteri è la MreB, simile all'actina, la quale forma una struttura elicoidale a livello della membrana plasmatica e, se inattivata, si produce un progressivo aumento del diametro cellulare fino a provocare l'arrotolamento cellulare.

Il batterio a forma di vibrione possiede anche un altro tipo di proteina, CreS, simile ai filamenti intermedi degli eucarioti, responsabile della curvatura della cellula.

Membrane biologiche e loro composizione

La struttura generale delle membrane biologiche nelle cellule eucariote e procariote è molto simile: entrambe sono costituite da un doppio foglietto fosfolipidico cui sono associate in vari modi diversi tipi di proteine. Tuttavia, le membrane procariote differiscono sia per la composizione lipidica sia per la tipologia di molte proteine presenti. La maggior parte dei lipidi che compongono le membrane biologiche sono molecole anfipatiche costituite da una testa polare e una coda fortemente idrofoba.

La membrana plasmatica è costituita da fosfolipidi in cui la testa polare è rappresentata da una molecola di D-glicerolo 3-fosfato e la coda da due molecole di acidi grassi non ramificati esterificati al C1 e C2 dello scheletro del D-glicerolo. Al fosfato esterificato in C3 possono essere legati gruppi funzionali. La struttura generale della membrana plasmatica è stabilizzata da interazioni idrofobe e da cationi divalenti quali Mg²⁺ e Ca²⁺, che stabiliscono interazioni ioniche con le cariche negative dei fosfolipidi.

Le membrane biologiche sono tipicamente rappresentate come strutture dinamiche in cui proteine e lipidi sono in grado di diffondere lateralmente in modo rapido. Gli acidi grassi presenti nei fosfolipidi delle membrane batteriche sono in maggioranza saturi. Il rapporto acidi grassi insaturi/saturi contribuisce a controllare la fluidità della membrana poiché la presenza di catene lipidiche con doppio legame ne diminuisce la viscosità.

Nelle membrane citoplasmatiche eucariote si trovano steroli, lipidi caratterizzati da un nucleo a quattro anelli aromatici che sono generalmente assenti nei batteri. Fanno eccezione i batteri metilotrofi che sono in grado di sintetizzare diversi tipi di steroli. Gli steroli sono molecole planari e rigide e la loro presenza nella membrana contribuisce a stabilizzare la struttura e a renderla meno flessibile.

Specificità delle membrane nei procarioti

Nella maggior parte dei batteri sono presenti diploptene, opanoidi, molecole simili agli steroli. Il un opanoide a 30 atomi di C, è quello che si trova più comunemente. Le membrane plasmatiche dei batteri contengono numerosi e svariati tipi di proteine la cui presenza conferisce alla membrana numerose proprietà funzionali. Una classe di proteine è costituita dalle proteine integrali di membrana, che sono facilmente estraibili dalla membrana e risultano insolubili in soluzioni acquose. Una seconda classe comprende le proteine periferiche, che sono facilmente rimovibili e possono essere associate alla membrana tramite interazioni non covalenti con proteine integrali oppure ancorate direttamente al foglietto lipidico grazie a un corto segmento di amminoacidi idrofobi (dominio transmembrana) situato generalmente nella regione N-terminale.

Le lipoproteine rappresentano una classe di proteine ancorate alla membrana plasmatica da dove si estendono verso l'esterno. I lipidi delle membrane degli Archaea hanno caratteristiche uniche. Le differenze riguardano la chiralità del glicerolo (L-glicerolo) e il tipo di legame tra glicerolo e catena alifatica (etere) e il tipo di catena alifatica.

I lipidi degli Archaea possono essere dieteri diglicerolo o tetraeteri di glicerolo: i dieteri di glicerolo sono costituiti da due catene alifatiche (fitanili) tipicamente a 20 atomi di C legate a un'estremità a una molecola di glicerolo; nei tetraeteri di glicerolo due lunghe catene alifatiche (bifitanili) a 40 atomici di C sono legate a due molecole di glicerolo. I lipidi degli Archaea formano un'impalcatura rigida che mantiene una notevole impermeabilità anche alle alte temperature grazie alla minore facilità di movimento delle loro catene isoprenoidi e all'eventuale presenza di anelli ciclopentanici.

Funzioni della membrana plasmatica

La membrana plasmatica è una barriera selettivamente permeabile tra il citoplasma e l'ambiente extracellulare. Il doppio strato fosfolipidico permette la diffusione dell'acqua, di gas e di piccole molecole liposolubili come ammoniaca, urea, etanolo e glicerolo, mentre risulta impermeabile a ioni. Queste molecole attraversano la membrana grazie a specifici sistemi di trasporto costituiti di norma da proteine. La membrana plasmatica è una delle sedi principali per le trasformazioni di energia in forme utilizzabili dalla cellula. È a livello di questa struttura che nei procarioti avvengono respirazione e fotosintesi.

Le cellule sono in grado di rispondere ai cambiamenti delle condizioni ambientali grazie a meccanismi detti sistemi di trasduzione del segnale. Questi sistemi sono capaci di percepire gli stimoli esterni e trasmettere il segnale all'interno della cellula. Le proteine responsabili della trasduzione del segnale sono associate alla membrana e possiedono domini esposti nell'ambiente extracellulare e domini citoplasmatici.

La membrana plasmatica è sede di numerosi processi biologici essenziali per la cellula e costituisce un potenziale bersaglio su cui possono agire molecole che la danneggino e ne inibiscano le funzioni. Sono note alcune classi di antimicrobici che agiscono con una certa selettività sulle membrane dei batteri o funghi:

• Batteriocine: grande gruppo eterogeneo di polipeptidi con azione antimicrobica prodotti da batteri Gram Positivi e Gram Negativi mediante sintesi ribosomiale, spesso seguita da modificazioni post-traduzionali. Le Batteriocine si legano a recettori localizzati sulla membrana delle cellule bersaglio. Qui possono formare pori che danneggiano la membrana plasmatica, oppure essere traslocate nel citoplasma, dove possono interferire con le funzioni essenziali della cellula.
• Polimixine: famiglia di antibiotici lipopeptidici a sintesi non ribosomiale. Le polimixine agiscono come detergenti cationici, interagendo con i fosfolipidi della membrana plasmatica e, nei batteri Gram Negativi, con il lipopolisaccaride della membrana esterna. In tal modo distruggono l'integrità e la permeabilità selettiva di queste membrane alterando così l'equilibrio elettro-osmotico della cellula e causando il blocco delle funzioni fino alla lisi cellulare.
• Daptomicina: antibiotico di una classe di lipopeptidi ciclici attivi nei confronti dei batteri Gram positivi. In presenza di ioni calcio, si lega alla membrana plasmatica ove inserisce la sua coda lipofila. Qui oligomerizza alterando la conformazione della membrana, creando pori e causando una rapida depolarizzazione con perdita di ioni potassio e conseguente morte cellulare.