Microbiologia - batteriologia

Microbiologia

Lezione del 4 ottobre 2006 - Batteriologia

Professore: Galdiero Capoluogo Maria Carmela

Introduzione

La volta scorsa abbiamo parlato dei costituenti della parete cellulare dei Gram positivi e Gram negativi. Vi ho indicato che l'LPS, con il Lipide A, KDO, leptosio, il Core e poi la parte specifica, ci possono essere vari mutanti a partire da quello semplice, che tiene semplicemente il Lipide A con qualche molecola di KDO e di mutanti RN, e poi fino ad arrivare ai mutanti che abbiamo detto essere quelli patogeni. Questa l'abbiamo vista sotto una forma diversa, sono le proteine maggiori di membrana, che come dimeri vanno a formare le porine. A parte le porine, altre proteine che si possono trovare nella membrana esterna dei Gram negativi, ma in piccole quantità, quindi non facenti parte delle proteine maggiori di membrana, sono quelle che vengono indicate in questa tabella, con peso molecolare indicato qua, con gene che ne determina la qualificazione e con le funzioni che hanno. Vedete che hanno funzioni di fissare ferro, di trasporto praticamente del ferro, vitamina B12, maltosio, nucleotidi, ecc. Alcuni si comportano anche come recettori per i batteriofagi (o fagi, i virus dei batteri).

Il peptidoglicano

Prima di passare a quello che si trova al di sotto della parete, la membrana citoplasmatica dei batteri, dove diremo poche cose (le differenze rispetto alle membrane degli eucarioti), vi accenno qualche altra cosa per quanto riguarda il peptidoglicano (la parete propria dei procarioti). Il peptidoglicano si trova in quasi tutti i batteri e specialmente in quelli che noi studiamo e in quelli che interessano la Microbiologia Medica. C'è un gruppo di batteri che o non ha, addirittura, la parete cellulare, oppure ha una parete cellulare che ha uno schema di struttura simile al peptidoglicano, ma non è della stessa composizione del peptidoglicano. Mi spiego meglio!

Ci sono dei batteri, che fanno parte oggi di un gruppo a parte: gli archeabacteri che, al posto dell'acido muranico, hanno un acido uronico che è derivato dal talosio, che è un altro zucchero, diverso, raro, che si trova solo in questi microrganismi, sotto forma di N-acetil-talosiouronoco: quindi ha l'acido uronico al posto dell'acido muranico che viene a mancare; è un peptidoglicano che alterna N-acetilglucosammina e questo acido uronico invece che acido muramico, con delle catene peptidiche che possono essere un poco diverse nel contenuto in amminoacidi e che vanno ad avvolgere questo gruppo di microrganismi, che non sono dei veri batteri (eubacteri). Quelli che studiamo noi, patogeni per l'uomo, sono gli eubacteri, questi fanno parte degli archeabacteri.

Tipologie di archeabacteri

Appartengono a questa famiglia degli archeabacteri:

• Demimetanogenici, quelli che producono metano, praticamente, che sono dell'ambiente;
• Ce ne sono alcuni del tipo Sulfo Locus, che sono presenti nella Solfatara di Pozzuoli, vivendo ad elevate temperature (batteri Termofili, per la maggior parte);
• Batteri che vivono in ambienti estremi (Estremofili) e i cosiddetti Alobacteri, che sono quelli che vivono e si sviluppano solamente in presenza di elevata pressione osmotica. Ci sono dei batteri così detti: Alofili, quindi alobacteri, alobacterium salinarium, per esempio, che si sviluppa solamente in terreni con una concentrazione molare 5-10 volte quella normale, sono germi capaci di svilupparsi in quegli ambienti come mari e laghi a salinità elevate.

Se si abbassa la pressione osmotica, vanno incontro a rigonfiamento e a lisi, quindi vanno incontro a morte (questi sono gli alofili obbligati). Ci sono dei batteri alofili facoltativi, cioè che possono svilupparsi oppure no, in presenza di una concentrazione maggiore di sali. Tra questi ve ne sono alcuni che interessano la patologia umana, per esempio gli Stafilococchi, lo Stafilococco aureo, quello patogeno è un germe alofilo, che si può sviluppare anche in presenza di una concentrazione maggiore di sali nell'ambiente. Questo ha la sua importanza nella conservazione dei cibi per salatura: quando si fanno le marmellate con il glucosio, ad esempio, si può usare anche il sale per sottrarre acqua e ridurre l'acqua libera, che è necessaria per lo sviluppo della vita, quindi per lo sviluppo dei microrganismi.

Batteri senza parete cellulare

Ci sono batteri che hanno un peptidoglicano diverso da quello che studiamo negli eubacteri, che però non sono patogeni per l'uomo, che si trovano ampiamente diffusi nell'ambiente e hanno enorme importanza in alcune nicchie ecologiche. Poi ci sono dei batteri che vengono considerati batteri e che non hanno proprio la parete cellulare (un poco impropria la loro attribuzione batterica), hanno solo la membrana: sono i micoplasmi. I micoplasmi, li studierete nel testo, sono dei patogeni in alcune condizioni (condizionati).

Micoplasmi

Oggi hanno una certa importanza perché si trovano specialmente nelle vie uro-genitali, sia maschili che femminili, e danno luogo a delle distrofie della mucosa fastidiose, in punti dove in genere non si trovano batteri, non si trovano virus come agenti eziologici di queste manifestazioni infiammatorie (molto lievi), e poi se andate a fare la ricerca (oggi si può fare molto facilmente rispetto a prima perché si riesce a riprodurre l'ambiente di crescita dei germi) si fanno crescere su terreni di coltura "particolari" perché, non avendo la parete, vanno rapidamente incontro a lisi se non sono protetti opportunamente.

I micoplasmi, oltre ad avere questa caratteristica di non avere il peptidoglicano, hanno nella loro membrana citoplasmatica (simile a quella delle cellule eucaristiche), il colesterolo, invece i batteri (gli eubacteri) non hanno nella membrana citoplasmatica il colesterolo. Il colesterolo nel corso dell'evoluzione compare nelle cellule più evolute. Da qui l'ipotesi che i micoplasmi dei parassiti che hanno perso le caratteristiche dei procarioti, e si avviano verso le cellule eucariotiche. In tutte le cellule eucariotiche trovate il colesterolo, nelle cellule procariotiche non trovate il colesterolo. Questa è un'altra delle differenze che si elenca quando si fa la distinzione tra cellule eucariotiche e procariotiche.

Importanza del colesterolo

Questa differenza, inizialmente, non veniva considerata, mentre oggi si, perché ora si sa che il colesterolo, in effetti, manca nei batteri. Il colesterolo ha la funzione di dare una certa rigidità allo scheletro lipidico della membrana citoplasmatica, rigidità che è valida ed è ottimale per le funzioni delle cellule eucariotiche, entro certi limiti: l'esagerazione di colesterolo crea certi problemi, la diminuzione ne crea degli altri. Quindi il colesterolo, non è che va eliminato completamente. Il colesterolo deve essere presente in certe concentrazioni, che sono quelle ottimali per la funzionalità delle membrane citoplasmatiche.

Struttura della membrana

La membrana classica ha gruppi idrofilici e gruppi idrofobici, che si affrontano (la solita forchetta), e le proteine (quelle transmembrana, che sono interne, e quelle esterne). La membrana viene raffigurata oggi come un mare di lipidi dove galleggiano delle piattaforme (dovute alle proteine), c'è un rapporto ottimale tra lipidi e proteine. Quello che è importante, è che generalmente certi fosfolipidi delle cellule eucariotiche contengono la lecitina (praticamente la fosfatidilcolina) come fosfolipide più abbondante, invece, i batteri contengono fosfatidil-etanolammina, e non la fostatidilcolina, questa è una differenza importante.

Acidi grassi nei fosfolipidi

Gli acidi grassi dei fosfolipidi delle cellule eucariotiche sono generalmente monoinsaturi, o raramente con due insaturazioni. L'acido più importante è l'acido oleico, è l'acido elaidinico. L'acido oleico, specialmente, (sapete tutti il problema della dieta mediterranea, ricca in acido oleico), è quello che si trova nei fosfolipidi di membrana delle cellule eucariotiche. Nei batteri troviamo, generalmente, acidi grassi saturi, e non insaturi, e mentre nelle cellule eucariotiche non sono mai ramificati, nelle cellule batteriche sono anche ramificati: quindi sono ramificati saturi e, generalmente, tendono anche a ciclizzare. La loro catena carboniosa forma delle strutture cicliche che sono alla base dei ciclopropani. La struttura disordinata, che in molti dipende dalla temperatura di transizione è quella che, rispetto a quella ordinata, dà una fluidità maggiore alla membrana, il che permette una maggiore velocità di traslazione delle frazioni proteiche immerse nella membrana.

Funzionalità della membrana

Le proteine di membrana (quelle che avete visto prima), si muovono lungo questo piano, e la loro possibilità di spostamento dipende dalla rigidità o fluidità di questa parte lipidica. Fra poco vi dirò dove funzionano l'LPS, le porine, ma più o meno è quello del meccanismo generale di stimolazione dei recettori. Alcuni tipi di recettori si debbono aggregare, o mimetizzare per lo meno, per poter trasmettere il segnale, poi, all'interno della cellula. Quindi la fluidità di membrana, un optimum di fluidità di membrana è fondamentale per permettere ai recettori di aggregarsi e creare la cascata di eventi, che porta alla trasmissione del segnale dalla membrana citoplasmatica al nucleo. Se questo non avviene la cellula risponde di meno agli stimoli. Ecco l'importanza di queste strutture, della presenza dei vari tipi di acidi grassi, nel dare strutture più o meno fluide. Poiché la temperatura di transizione dipende dal numero di doppi legami che ci sono (diinsaturi, monoinsaturi), dipende inoltre, anche da se sono o non sono strutture ramificate.

Rigidità della membrana citoplasmatica

Quella rigidità che noi notiamo maggiore nella membrana citoplasmatica dei procarioti probabilmente la spieghiamo perché, mentre la cellula eucariotica fa parte di un organismo superiore, dove è protetta da un'organizzazione per tessuti, organi, sistemi, (arriva il sangue, arriva la linfa), e ogni cellula è avvolta da membrana in interconnessione con le altre, la cellula batterica si trova isolata nell'ambiente, e quindi, risente della temperatura ambientale, delle condizioni ambientali, molto di più della cellula eucariotica, che è protetta nel ricevere gli stimoli.

Adattamento ambientale dei batteri

Ci sono tutta una serie di barriere, di membrane nei batteri che necessitano di maggiori protezioni: basta pensare ai nutrienti, che negli organismi superiori, arrivano attraverso il canale alimentare (assorbimento di prodotti della scissione di queste macromolecole, che arrivano ad essere sintetizzate di nuovo nelle singole cellule, per formare strutture di un certo tipo secondo lo schema della specie a cui si appartiene). Nei batteri tutto questo non c'è, perché si possono trovare nei più diversi ambienti, esposti a diverse temperature (non tutti gli ambienti presentano la stessa temperatura). Allora loro debbono adeguarsi, mediante la possibilità di avere una membrana, più o meno rigida a seconda delle condizioni ambientali.

Questo adattamento alle condizioni ambientali avviene, per buona parte, attraverso la costituzione di quelli che sono gli acidi grassi dei fosfolipidi della membrana citoplasmatica (non la membrana esterna dei Gram negativi). Qua vi vengono indicate le modificazioni che subisce una membrana quando vi è un doppio legami, quando vi sono più doppi legami. La membrana subisce delle modifiche strutturali, che ne favoriscono, più o meno, la fluidità. Sapete che quando voi trovate una struttura di questo genere (fosfolipidi con tutti gli acidi grassi saturi), si parla di cristalli liquidi, che furono messi in evidenza da Louis Pasteur negli omogenati di colture di microrganismi, di cellule, di quello che era, ma comunque di origine vitale.

Cristalli liquidi

Questa possibilità dell'orientamento della luce, di questo aspetto simil cristallino, per Pasteur era all'origine della vita. Agli inizi del '900, fine '800, si ritenevano i cristalli liquidi, come probabili precursori della cellula, e quindi dell'origine della vita. Erano molto studiati, anche a Napoli, (nella nostra università, con un busto a lui dedicato) c'era un anatomo-patologo austriaco che fondò l'anatomia patologica - Ottorn Crom - e si occupò, prevalentemente, di cristalli liquidi. Poi i cristalli liquidi, come argomento di studio, sono tramontati per molti anni, per essere ripresi negli ultimi venti anni, specialmente recentemente, perché hanno anche delle applicazioni industriali, che sono state messe in evidenza in tante altre situazioni, non costituiti solo da lipidi, ma anche da molti altri tipi di molecole.

Cristallo liquido, significa, in effetti, che ha una struttura rigida. E per quanto riguarda la luce è capace di dirigerla sempre, in un senso o nell'altro, a seconda degli assi che attraversano il fascio luminoso. I Cristalli liquidi sono quelli, che solo in certe condizioni, sono capaci di orientare la luce, altrimenti non l'orientano (se si trovano in una situazione caotica). Se si dispongono, invece, come in questa situazione (uno sull'altro) rigida, ci saranno, per lo meno due direzioni per far ruotare la luce polarizzata. Se la disposizione è caotica, non c'è una distribuzione regolare. Qui c'è un accenno ad una distribuzione regolare.

Struttura virale

Quando avremo occasione di parlare dell'architettura virale, vi farò notare come, a livello della struttura di un virus c'è molto che riguardi ad una struttura cristallina. E quindi, poiché i virus, in effetti, sono del materiale genetico, avvolto da proteine, che hanno tutte le caratteristiche di entità che possono trasmettere l'informazione, ma non possono mantenersi, di per sé, se non hanno il supporto di una cellula, essi sono al limite, tra quelle strutture che sono alla base della vita. Ecco, quindi, le analogie tra la materia che si organizza in cristalli, poi si organizza in cristalli che hanno capacità di trasferire le proprie informazioni. Anche il cristallo è capace di orientare la formazione di altri cristalli, quando si trova nel mezzo dove nasce. Se non nasce un nucleo cristallino, la cristallizzazione non avviene. Ci vuole un nucleo, e poi questo si propaga rapidamente. Quindi, la formazione di un cristallo è un evento raro e eccezionale. Ma una volta che si è formato, riesce a riempire tutto l'ambiente circostante, tutto il contorno. I virus sono diversi, perché, hanno la stessa architettura, la stessa struttura, però hanno delle informazioni che riescono a trasferire, quando entrano in una cellula. E quindi, poi, si arriva alla cellula totale che è capace di fare quello che fa.

Interazione con le membrane ospiti

• Domanda: Come agiscono queste strutture periferiche dei batteri, che abbiamo studiato, nell'interagire con la membrana delle cellule degli ospiti?
• Risposta: Le membrane interessate sono, generalmente, quelle delle cellule del sangue circolante, perché in un'infezione sistemica è presente sempre una fase in cui il microrganismo si trova nel sangue circolante. Nel sangue circolante sono presenti i globuli bianchi (i linfociti, i monociti e i granulociti).