Batteri -introduzione-

Meccanismi di trasporto attraverso la membrana plasmatica

Il passaggio passivo, tramite gradiente di concentrazione, avviene solo per ossigeno, acqua, piccole molecole

idrofobiche (es glicerolo). Il trasporto dell'acqua può essere accelerato dalle acquaporine.

I meccanismi di trasporto attivo richiedono tutti l'intervento di proteine specifiche e di una fonte di energia.

Ne conosciamo almeno tre tipi:

 trasporto semplice: coinvolge trasportatori semplici, che possono trasportare una sostanza da un lato

+

all'altro della membrana (uniporter) o una sostanza insieme a un'altra (generalmente H , symporter) o

due sostanze in direzioni opposte (antiporter). es: permeasi del lattosio (Lac-permeasi), che trasporta

+

lattosio e H nella cellula.

 traslocazione di gruppo: il trasporto avviene con modificazione chimica della sostanza. es: sistema

delle fosfotransferasi per il trasporto del glucosio, attraverso fosforilazioni e defosforilazioni.

 trasporto mediato dai sistemi ABC: utilizza proteine periplasmatiche (proteine di legame, nello spazio

periplasmico in Gram negativi, sulla membrana in Gram positivi), una proteina transmembrana (canale



di trasporto) e una proteina citoplasmatica che fornisce energia, tramite l'idrolisi di ATP infatti ABC=

ATP-Binding Cassette. Il complesso "proteine di legame + substrato da importare" interagisce con il

canale di trasporto e l'idrolisi di ATP permette il passaggio.

METABOLISMO BATTERICO

Catabolismo: reazioni di scissione delle macromolecole. Liberano energia (esoergoniche)

Anabolismo: reazione di sintesi di nuove macromolecole. Necessitano di energia (endoergoniche)

Batteri:

 fototrofi: ricavano energia per i processi biosintetici dalla luce del sole

 chemiolitotrofi: la ricavano da nutrienti inorganici

 chemiorganotrofi: la ricavano dall'ossidazione di molecole organiche

FERMENTAZIONE

Nella fermentazione, che avviene in mancanza di ossigeno, il substrato viene parzialmente ossidato, per cui

rilascia solo una parte dell'energia disponibile. L'ossidazione avviene tramite glicolisi (o via di Embden-

Meyerhof e Parnas, EMP). Il prodotto terminale della fermentazione è l'acido piruvico (piruvato). Le

modifiche del piruvato rappresentano un modo per distinguere diverse fermentazioni:

- fermentazione alcolica: il piruvato è decarbossilato ad acetaldeide

- fermentazione lattica:

omolattica: tutto il piruvato è ossidato ad acido lattico (Streptococcus, Lactobacillus)

eterolattica: il prodotto finale comprende acido lattico, etanolo e CO 2

- fermentazione formica: tipica degli Enterobatteri. Può essere:

 acido-mista: si formano acido lattico, acido acetico, acido formico, acido succinico

butandiolica: due molecole di piruvato condensano in una di butandiolo (Klebsiella, Enterobacter)

- fermentazione butirrico-butilenica: acqua, CO e Acetil-CoA, ridotto con acetone e butanolo

2

(Clostridium)

- fermentazione propionica: piruvato ossidato ad acido succinico (Propionebacterium)

RESPIRAZIONE

La respirazione permette una completa ossidazione del substrato organico. Rispetto alla fermentazione, vi è

una completa mineralizzazione (trasformazione in H O e CO ) del glucosio attraverso il ciclo di Krebs (ciclo

2 2

dell'acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici). [Il ciclo di Krebs è anfibolico: oltre a essere importante

per il metabolismo batterico, è anche una fonte di precursori per alcune vie biosintetiche].

Durante l'ossidazione dei composti organici, il NAD (nicotinamide-amina-dinucleotide) si ossida/riduce per

trasmettere elettroni da una molecola all'altra. Attraverso molecole trasportatrici come le flavoproteine e i

+

citocromi, ioni H vengono trasferiti sino a raggiungere un accettore finale. In base al tipo di accettore finale

possiamo distinguere una:

 Respirazione anaerobia: gli accettori finali di elettroni sono molecole inorganiche che vengono ossidate

 

a nitrati, solfati e carbonati, oltre alla CO e ai metalli. es: nitrato nitrito; nitrato azoto

2 

42-

atmosferico (denitrificazione: Pseudomonas, Bacillus); solfato (SO ) idrogeno solforato (H S); CO

2 2

 metano.

 Respirazione aerobia: più efficiente dell'anaerobia, l'accettore finale è l'O , ridotto a H O.

2 2

Si distinguono pertanto:

 Batteri aerobi obbligati: o aerobi stretti, sopravvivono solo in presenza di ossigeno.

 Batteri anaerobi obbligati: l'ossigeno è per loro letale. Possono trarre energia solo tramite

fermentazione o attraverso la respirazione anaerobia (Bacteroides = costituenti principali della normale

flora microbica intestinale; Clostridium).

 Batteri aerobi-anaerobi facoltativi: possono vivere anche in assenza di ossigeno, ma si riproducono

molto più velocemente in sua presenza. Possono usare sia la fermentazione che la respirazione aerobia

(Vibrio; Spirillum; Aerobacter; Salmonella; Shigella fra i Gram negativi; Staphylococcus e molti bacilli

fra i Gram positivi).

 Batteri microaerofili: sono come gli aerobi-anaerobi facoltativi, solo che non si riproducono con alti

livelli di ossigeno ma con bassi livelli (Diplococcus, Streptococcus, Lactobacillus).

 Batteri aerotolleranti: non usano l'ossigeno, ma sopravvivono se esposti all'aria (Klebsiella, M.

tuberculosis).

GENETICA BATTERICA

Un batterio isolati in natura viene definito ceppo selvaggio, mentre un batterio che ha subito mutazioni,

spontanee o indotte, è detto mutante. Le mutazione possono essere riparate con un processo che prende il

nome di reversione, e il ceppo batterico che ne è oggetto viene detto revertante. La reversione interviene

nel sito della mutazione o in un altro sito per sopprimere la mutazione (ad es attraverso escissione) per

ristabilire il fenotipo selvaggio.

Ricombinazione genica

Può avvenire tramite

 ricombinazione omologa: RecB,C,D con attività elicasica e endonucleasica. Trovato il Sito Chi, RecA

guida la strand invasion e la formazione di DNA heteroduplex. RuvA, RuvB estendono il filamento e

RuvC risolve la giunzione di Holliday.

 trasposizione: taglia e incolla di DNA da un punto all'altro del genoma. La trasposasi può effettuare

trasposizione conservativa o trasposizione replicativa.

 integroni: come i trasposoni, con la particolarità di possedere una sequenza che permette l'acquisizione

di nuovi geni, detti "cassette", da fonti diverse.

 CSSR (Ricombinazione Conservativa Sito-Specifica): a differenza della semplice trasposizione, il taglio

e l'inserimento del DNA in un altro punto del genoma (o nel genoma di un altro batterio) avvengono

solo in punti sequenza-specifici. Le ricombinasi sito-specifiche riconoscono la sequenza bersaglio e le

inverted repeat (IR) presenti all'estremità dell'elemento trasponibile, le tagliano e le rilegano. es:

integrazione di elementi genetici trasponibili di batteriofagi (virus).

 Trasferimento genico orizzontale:

 trasformazione: il batterio acquisisce DNA libero rilasciato nell'ambiente da altre cellule

(esperimento di Griffith nel 1928).

 coniugazione: richiede contatto cellulare tra batteri, attraverso il pilo sessuale. Con questo processo si

trasferiscono plasmidi, trasposoni coniugativi e anche frammenti di DNA cromosomico. Per poter

+

iniziare la coniugazione è necessario il fattore F all'interno del plasmide batterico (batterio F ) . Gli

elementi sono duplicati e trasmessi all'altro batterio, quindi il batterio che inizia la coniugazione non

perde materiale genetico.

 trasduzione: i fagi trasferiscono DNA cromosomiale di una batterio a un altro batterio Può essere

trasduzione generalizzata o specifica. La trasduzione generalizzata avviene ad opera di virus lisogeni,

che quando producono copie di se stessi incorporano frammenti di DNA batterico nel capside. La

trasduzione specializzata avviene invece ad opera dei fagi lisogeni, che integrano il proprio DNA in

punti precisi del genoma batterico (quando inizia il ciclo litico, può scindersi portandosi dietro

frammenti di DNA batterico).

Plasmidi: frammenti di DNA circolare batterici, contenenti geni per la coniugazione (Fattore F), per la

resistenza agli antibiotici, per la virulenza (nocivi per l'organismo che li ospita) e per la produzione di

batteriocine (nocivi per altri batteri di specie diverse).

RIPRODUZIONE E CRESCITA

Il processo di riproduzione è regolato dalla membrana citoplasmatica per mezzo dei mesosomi: durante la

replicazione si forma il setto, un'invaginazione della membrana al cui interno si accresce la parete di

peptidoglicano (o la membrana esterna dei Gram negativi). Il tempo di generazione è il tempo richiesto per

la divisione cellulare. La crescita di una popolazione batterica viene determinata seguendo nel tempo la

variazione di massa cellulare o del numero di cellule. La conta totale non consente la distinzione tra batteri

vivi e morti, mentre la conta vitale considera solo i batteri vivi, ed è espressa come unità formanti colonia

(cfu).

Il numero di batteri presenti al tempo t in una colonia vale:

n

N = N 2

0

con N = numero di batteri a t=0, n = numero di generazioni al tempo t.

0

Rappresentando graficamente il numero di cellule in funzione del tempo si ottengono 4 fasi:

- fase di latenza: sul terreno fresco con risorse nutritive, si ha l'aumento delle dimensioni cellulari

- fase di crescita esponenziale: il numero dei batteri aumenta in maniera esponenziale. Questa fase dipende

dalle condizioni ambientali e dalle caratteristiche geniche del batterio.

- fase stazionaria: il numero dei batteri rimane costante. Si ha la diminuzione delle risorse nutritive e la

produzione di sostanze tossiche, per cui si crea un equilibrio tra batteri che sopravvivono e batteri morti. I

batteri che sopravvivono producono prodotti catabolici che inibiscono la replicazione cellulare.

- fase di morte: esaurimento completo delle risorse e accumulo di sostanze tossiche.

NB: per mantenere le colture batteriche in uno stato di crescita esponenziale, si impiegano colture continue,

con chemostati che misurano il numero di cellule e la loro velocità di riproduzione.

Fattori che influenzano la crescita dei microrganismi

 Richiesta di ossigeno

 Temperatura ottimale di crescita (batteri psicrofili: 15 °C; mesofili: 20-45 °C, optimum a 35-37 °C;

termofili: 45-60 °C, sedi più sono termofili estremi)

 pH

 disponibilità di sostanze nutritive

Spora batterica

Alcuni batteri possono dare vita, in determinate condizioni, a forme di vita quiescenti, metabolicamente

inerti, dette spore (o endospore, perchè si formano all'interno del batterio). La sporulazione fu descritta da

Koch, e si riscontra nei generi Bacillus (sporigeni aerobi) e Clostridium (sporigeni anaerobi; nel Clostridium

le spore sono più grandi della cellula che le ha p