Corso di microbiologia

Il flagello è costituito da tre sezione:

1. Il Filamento – è la porzione rigida che sporge verso l’esterno ed è formato da un’unica

proteina, la flagellina, disposta in maniera elicoidale attorno ad un cilindro cavo

all’interno (autoassemblaggio)

2. Il Gancio – è una struttura flessibile che mette in connessione il filamento con il corpo

basale. Anche detto uncino, è leggermente più grande del filamento ed è composto da

subunità proteiche diverse.

3. Il Corpo Basale – è il motore del flagello e cambia strutturalmente tra Gram + e –

poiché s’inserisce negli strati che rivestono il protoplasto della cellula batterica.

Corpo basale

È formato da una serie di anelli che s’inseriscono negli strati esterni del batteri:

Anello L – prende contatto con il LPS della membrana esterna

• Anello P – a contatto con il PG.

• Anello S – nello spazio periplasmatico

• Anello M – attraversa la membrana citoplasmatica.

• Anello C – nel citoplasma e associato alla MC.

•

* gli anelli L e P sono tipici dei Gram –, mentre gli anelli S, M e C sono comuni a tutti i batteri.

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Rotazione

Questi anelli sono fissi e costituiscono la sede all’interno della quale ruota l’asse del flagello.

La rotazione è impartita dal corpo basale che funziona da motore.

Gli anelli S, M e C sono associati alle proteine del complesso Mot che convertono il gradiente

protonico in energia meccanica.

MotA, insieme a FliG, formano un canale in cui fluisce l’energia sotto forma di protoni;

• il flusso di H induce cambiamenti conformazionali in MotA e FliG, che fanno ruotare il

+

corpo basale e permettono il movimento rotatorio del flagello.

MotB è inserito in parte nella MC e in parte ancorato al PG.

•

La forza che permette il movimento del corpo basale è la forza protomotrice prodotta per

separazione di cariche attraverso la membrana citoplasmatica: c’è un eccesso di protoni

all’esterno della membrana rispetto all’interno. Attraverso il complesso Mot, i protoni

rientrano nel citoplasma, producendo l’energia necessaria alla rotazione del flagello: sono

necessari 1000 protoni per una singola rotazione del corpo basale.

Considerando che per un batterio l’acqua è un mezzo molto denso e viscoso si muovono molto

velocemente, a circa 50-60 lunghezze cellulari/secondo.

Le proteine Fli (anello C) sono invece responsabili dell’inversione della rotazione del flagello

in risposta a segnali intracellulari.

Meccanismo di assemblaggio

Il flagello si forma con un meccanismo di autoassemblaggio in cui la flagellina, man mano che

viene sintetizzata, si dispone in maniera elicoidale a formare il flagello cavo: le subunità di

flagellina che risalgono il canale centrale del filamento e vanno ad aggiungersi all’apice in

accrescimento. La formazione del corpo basale è un sistema di secrezione proteica di tipo III

che permette alle proteine di attraversare gli strati della cellula batterica.

Motilità flagellare

Quando i batteri si muovono in avanti il flagello ruota in senso antiorario. Se viene invertito il

senso di rotazione in antiorario il batterio fa una capriola (tumble). Per i batteri peritrichi,

quando i flagelli si muovono in senso antiorario si organizzano a formare un fascio (fuso di

avanzamento, run), mentre quando s’inverte la rotazione dei flagelli il fascio si disgrega e il

batterio fa la capriola.

* I flagelli eucariotici oscillano, mentre quelli procariotici si muovono per rotazione.

[Rhodobacter] ha un flagello che ruota solo in senso orario: quando il flagello si ferma la

cellula si orienta diversamente, poi il moto riprende e la cellula avanza nella nuova direzione.

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Movimento

La tassi è lo spostamento del batterio lungo una direzione specifica in risposta ad uno stimolo

ambientale. La risposta può essere di avvicinamento (positiva) o di allontanamento (negativa)

rispetto alla sorgente dello stimolo. In funzione alla natura dello stimolo si possono

distinguere diversi tipi di tassie:

Chemiotassi – risposta ad uno stimolo chimico

• Fototassi – risposta alla luce

• Aerotassi – risposto alla quantità di ossigeno

• Magnetotassi – risposta al campo magnetico

•

I batteri sono capaci di misurare uno stimolo, ricordare questa misura, misurare nuovamente

e infine confrontare le misure per attuare la giusta reazione allo stimolo.

Chemiotassi

I batteri capaci di chemiotassi presentano dei chemiorecettori integrati nella membrana

citoplasmatica, che sono in grado di rilevare sia le sostanze attraenti sia quelle repellenti.

In assenza di gradiente di concentrazione i batteri si muovono in maniera casuale, con

alternanza di corse e capriole che fanno muovere il batterio senza una direzione specifica.

Quando invece è presente una sostanza attrattiva nel mezzo, il batterio tende a seguire il

gradiente di concentrazione, sempre alternando corse e capriole ma facendo corse più lunghe

quando la direzione è corretta e corse più corte quando è sbagliata.

Trasduzione del segnale

Alla base della chemiotassi c’è un sistema di trasduzione del segnale in cui la variazione di

concentrazione viene percepita dalle proteine trans-membrana chiamate “MCP” (methyl-

accepting chemotaxis proteins). Queste proteine hanno due domini:

Dominio periplasmatico che interagisce con la sostanza chemiotattica.

• Dominio citoplasmatico, viene metilato e trasduce il segnale ad altre proteine.

•

Il numero di chemiorecettori varia nelle diverse specie, ad esempio E. coli ne presenta 4,

ciascuno specifico per sostanze differenti.

La sostanza chemioattrattiva viene riconosciuta dal dominio esterno del MCP, producendo la

metilazione del dominio citoplasmatico: più è alta la concentrazione della sostanza e maggiore

sarà il grado di metilazione del dominio. Possono essere aggiunti fino a 6 gruppi metilici.

1. In assenza di attrattore il dominio citoplasmatico è metilato a livello basale e la chinasi

ad esso associata, CheA si autofosforila su un residuo di His. 30

2. Fosforilata, CheA fosforila CheY (gli trasferisce il suo gruppo fosfato).

3. A questo punto, CheY si lega a FliM (anello C) del motore flagellare e produce

un’inversione del senso della rotazione, da antiorario ad orario.

4. CheZ defosforila CheY-P e il flagello torna a ruotare in senso antiorario.

5. Quando incontra l’attrattore, la sostanza lega il dominio periplasmatico di MCP e il

dominio citoplasmatico viene ulteriormente metilato.

6. L’aumento della metilazione impedisce l’autofosforilazione di CheA, quindi il flagello

continua a ruotare in senso antiorario.

Se la concentrazione della sostanza non aumenta e rimane costante, la metilazione del

dominio citoplasmatico deve tornare ad uno stato basale. La metilazione è alla base della

memoria molecolare dei batteri ed è attuata da due proteine: CheR che metila a un tasso

costante e CheB che demetila quando è fosforilata.

7. Quando l’MCP raggiungono il livello massimo di metilazione, è favorita

l’autofosforilazione di CheA. Viene attivato anche CheB che riporta il sistema allo stato

di metilazione basale.

Questo sistema percepisce variazioni di concentrazione e non concentrazioni assolute!

Fototassi

La fototassi è mediata da fotorecettori e pigmenti fotosintetici che percepiscono varie

lunghezze d’onda e le diverse specie fotosintetiche utilizzano lunghezze d’onda differenti:

hanno quindi la necessità di collocarsi nella zona che meglio ottempera alle loro esigenze.

Questo tipo di tassia è tipica dei batteri fotosintetici, che utilizzano la luce come fonte

d’energia.

Aerotassi

I batteri che vivono in zone diverse a seconda della necessità di ossigeno si dividono in 4

classi: Aerobi necessitano di ossigeno

à

• Microaerofili vivono in zone dove il livello di ossigeno è minore rispetto a quello

à

• atmosferico

Facoltativi non necessitano di ossigeno per vivere, ma in presenza di esso la loro

à

• crescita è più efficiente

Anaerobi obbligatià non tollerano l’ossigeno.

• Anaerobi aerotolleranti possono tollerare certe quantità di ossigeno

à

• 31

Magnetotassi

I magnetobatteri sono batteri acquatici che vivono in particolari ambienti dove c’è una zona

anossica (priva di ossigeno) e una zona in superficie ossigenata: tra queste due zone c’è una

zona di transizione, habitat ideale per i magnetobatteri. Questi batteri nuotano solo in due

direzioni, lungo le linee del campo magnetico terrestre: per raggiungere la zona di transizione,

nuotano verso il basso quando si trovano nella zona ossica e verso l’alto se in quella anossica.

Questo movimento avviene lungo le stesse linee e il verso del nuoto si inverte invertendo il

senso di rotazione del flagello (no capriola ma inversione del verso). Inoltre, il verso del nuoto

è regolato anche da sistemi sensoriali che rispondono a concentrazioni di soluti o al

potenziale redox.

Altri tipi di movimento

Oltre al movimento dato dai flagelli abbiamo altri 2 tipi di movimenti: la mobilità sociale e la

mobilità avventurosa.

La mobilità sociale, o contrattile, è tipica dei [Myxobatteri] che hanno uno speciale pilo o

fimbria di tipo IV che si aggancia alla superficie e si contrae, trascinando così la cellula.

Mentre la mobilità avventurosa o per scivolamento è tipica di [Myxobatteri e Cianobatteri] che

hanno dei pori alle estremità della cellula che secernono un muco formato da polisaccaridi

che, una volta espulsi dalla cellula, si gonfiano e spingono in avanti il batterio.

Nutrizione microbica

Al fine di produrre nuove strutture cellulari, necessari alla crescita e alla riproduzione, gli

organismi devono avere a disposizione una riserva di substrati grezzi: i nutrienti, cioè le

sostanze utilizzate nei processi di biosintesi e nella produzione di energia. Nutrienti

I batteri sono costituiti in maggior parte da alcuni elementi: C, O, N, H, P e S costituiscono più

del 95% del peso secco di una cellula batterica. Un batterio deve essere in grado di

approvvigionarsi autonomamente di queste sostanze, a cui si aggiungono ioni K , Ca , Mg ,

+ 2+ 2+

Fe (ferro ferroso) e Fe (ferro ferrico). Oltre questi macroelementi ve ne sono alcuni

2+ 3+

richiesti in concentrazioni bassissime, in tracce, generalmente non aggiunti nei terreni perché

presenti normalmente come “contaminanti” ambientali: Zn , Mn , Ni , Mo , Co e Cu .

2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 32

I 6 macronutrienti fondamentali fanno parte dei componenti strutturali della cellula batterica