Microbiologia generale

Struttura e funzione di batteri e archea

Morfologia di bacteria e archea

I batteri e gli archea sono presenti in una varietà di strutture semplici per la maggior parte unicellulari, ma anche pluricellulari.

Unicellulari

La forma più semplice di una singola cellula è quella sferica (cocchi). Alcuni cocchi si dividono solamente lungo un asse, altri rimangono attaccati tra loro portando alla formazione di lunghe catene (es. diplococchi formati da due cellule, streptococchi formati da molte cellule). Altri cocchi si dividono su due assi formando un foglio di cellule, altri ancora si dividono su tre assi con conseguente formazione di un “pacchetto”. Infine, la divisione casuale di un cocco produce un ammasso irregolare di cellule (stafilococco).

I batteri tuttavia possono presentarsi anche in altre forme. La forma a cilindro caratterizza i bacilli, che possono anche presentarsi in catene. Un batterio a forma spiralata molto corta è detto vibrione, una cellula spiraliforme più lunga è chiamata spirillo se la struttura è rigida, mentre se la struttura è flessibile il microrganismo è una spirocheta.

Pluricellulari

Forme pluricellulari di batteri possono essere ad esempio actinobatteri e tricomi. Le cellule del tricoma sembrano una catena, ma hanno fra loro correlazione spaziale e fisiologica più stretta. Gli actinobatteri producono filamenti contenenti numerose cellule.

Divisione cellulare in bacteria e archea

I procarioti conservano la loro forma durante la riproduzione asessuata, un processo in cui ogni singolo organismo si divide per dare origine a due cellule figlie, attraverso scissione binaria o gemmazione.

Scissione binaria

La cellula si accresce lungo l'asse longitudinale fino a raggiungere una dimensione doppia di quella iniziale. A questo punto si forma un setto a metà fra le due estremità cellulari. La cellula madre si divide quindi in due cellule figlie. La replicazione del DNA nella scissione binaria avviene prima della formazione del setto e le due cellule che ne risultano sono un'immagine speculare l'una dell'altra (i componenti della cellula madre sono equamente distribuiti nelle due cellule figlie).

Gemmazione

Processo di divisione asessuata il cui esito è la formazione di due cellule figlie da una cellula madre. Sulla superficie cellulare si viene a formare una piccola gemma che si accresce fino a diventare sufficientemente grande e matura da separarsi dalla cellula madre.

Ultrastruttura, composizione e funzione in bacteria e archea

Strutture interne

Il primo componente delle strutture interne delle cellule è il DNA. Quello dei procarioti è una molecola elicoidale a doppio filamento di forma circolare. I due lineamenti sono tenuti insieme da ponti H (basi azotate che formano ponti H di un filamento unite alle basi azotate del filamento opposto). Il DNA procariotico non è circondato da nessuna membrana, perciò si presenta come materiale fibroso abbastanza diffuso all'interno della cellula stessa (forma nucleoide, non nucleo).

La molecola di DNA è lunga circa 1000 volte la cellula procariotica che la contiene, perciò essa si attorciglia in superavvolgimenti. Tale disposizione è data dalla presenza di enzimi che ne controllano anche lo srotolamento nella sintesi del DNA. I procarioti contengono circa 4x10⁶ coppie di basi (4 coppie di megabasi o 2 mgb), ma alcuni arrivano anche a 10 mgb. Queste dimensioni sono di gran lunga inferiori al genoma degli eucarioti.

Le cellule procariotiche, oltre al DNA genomico, contengono anche DNA extra-cromosomico (plasmidi). Questi non contengono materiale genetico ma sono dotati di caratteristiche che favoriscono la sopravvivenza della cellula in ambiente particolare. La principale funzione del genoma procariotico è quella di conservare l'informazione ereditaria contenuta nei propri geni. Inoltre, in alcuni procarioti può verificarsi il trasferimento del materiale genetico da un organismo all'altro.

Ribosomi

Piccole strutture preposte alla sintesi di proteine con un processo di traduzione in cui l'mRNA trasferisce il messaggio contenuto nei nucleotidi del genoma. Nei ribosomi avviene l'assemblaggio di acidi nucleici mediante legami peptidici per formare la proteina. I ribosomi sono composti da subunità contenenti proteine e RNA ribosomiale (rRNA).

Unità di Svedberg (S)

Densità di sedimentazione. L'unità di Svedberg è direttamente correlata alla densità delle particelle.

Vescicole gassose

Strutture dotate di involucro proteico che conferiscono una certa galleggiabilità ai procarioti acquatici. Numerose vescicole gassose formano un vacuolo gassoso. I vacuoli gassosi sono presenti comunemente in gruppi di organismi fotosintetici, quali cianobatteri, proteobatteri e solfobatteri. Ciascuna vescicola è formata da uno spazio cavo circondato da un involucro proteico. Le proteine aiutano a non far entrare acqua nella cavità e a mediare gli scambi gassosi (i gas atmosferici sono infatti gli unici costituenti della cavità), inoltre mantengono la rigidità dell'involucro.

Materiali intracellulari di riserva

I procarioti accumulano delle sostanze di riserva all'interno delle cellule stesse. Quasi tutte queste sostanze sono polimeriche e mantengono la pressione osmotica interna a un livello basso.

• Glicogeno
• Amido
• Acido poli-β-idrossibutirrico
• Cianoficina

Il glicogeno e l'amido sono inclusioni citoplasmatiche contenute negli organismi procariotici, formati da polimeri di glucosio con legami α-1,4. I granuli di glicogeno e di amido possono essere demoliti, rappresentando una notevole fonte di carbonio. L'acido poli-β-idrossibutirrico (PHB) appare come granulazione citoplasmatica. Viene sintetizzato durante periodi di limitata disponibilità di azoto. La cianoficina è un polimero di azoto organico presente nei cianobatteri.

Membrane cellulari

Batteri

La membrana citoplasmatica rappresenta il primo confine primario del citoplasma cellulare. È formata da un modello a mosaico fluido, quindi composta da fosfolipidi e proteine. In ambiente acquoso le molecole fosfolipidiche formano un doppio strato composto da due foglietti di membrana (parte idrofoba verso l'interno e parte idrofilica verso l'esterno). Le proteine di membrana sono inserite nel doppio strato fosfolipidico e svolgono la funzione di trasporto di sostanze verso l'interno della cellula. La membrana è resa stabile dalla presenza di cationi fra cui calcio e magnesio.

Una delle sue proprietà è la sua permeabilità selettiva, influenzata dalle dimensioni molecolari, dalla carica, dalla polarità e dalla struttura chimica della sostanza in questione. Un'altra funzione è nella replicazione del DNA che è fissato alla membrana stessa. Alcuni procarioti hanno membrane che si estendono all'interno della cellula.

Archea

La membrana degli archea presenta differente composizione chimica. Le componenti lipidiche sono formate da eteri (esteri legati al glicerolo), non più eteri come nel caso delle membrane batteriche. Al posto degli acidi grassi, le membrane degli archea possiedono catene di isoprenoidi con unità rispettive di 5 carboni.

Due modelli di membrana

• A doppio strato con due foglietti di isorenoidi uniti al glicerolo
• A monostrato tetraeteri di diglicerolo

Strati extracellulari

Alcuni procarioti sintetizzano strati più esterni alla membrana cellulare.

• Capsule (glicocalici)
• Guaine
• Strati mucosi
• Strati-S

La rimozione dello strato più esterno non comporta comunque la perdita della vitalità della cellula. Tali strati quindi non sono essenziali agli organismi che li producono, almeno in certe condizioni di crescita.

Capsule

Costituiscono le barriere polisaccaridiche che proteggono la cellula dall'ambiente esterno. Agiscono in vari modi tra cui prevenire l'attacco dei virus o rallentare il processo di essiccazione in carenza di acqua. In presenza di determinate condizioni possono essere determinanti per la sopravvivenza della cellula.

Guaine

Alcuni procarioti sintetizzano uno strato esterno (guaina) più denso e organizzato. Oltre ai polisaccaridi infatti sono presenti anche amminoacidi e amminozuccheri. Le guaine caratterizzano ad esempio batteri che vivono in ambienti acquatici non stagnanti e che quindi sono esposti continuamente a turbolenze delle acque. La guaina aiuta la cellula a non essere danneggiata dalle turbolenze stesse.

Strati mucosi

Alcuni procarioti si spostano mediante scivolamento. Questi sono caratterizzati dalla secrezione di una sostanza mucosa. La natura chimica di questa sostanza mucosa è molto varia (es. arabinosio, glucosio, mannosio, xilosio, acido glicuronico).

Strati-S

Sono spesso superfici proteiche a trama alquanto stretta. In alcuni archea formano lo strato esterno della membrana cellulare (s-layer funge da parete), alcune specie di batteri invece possiedono sia la parete cellulare che lo strato-S.

Parete cellulare

Rappresenta lo strato più esterno degli organismi procariotici. La parete cellulare è un componente essenziale per gli organismi che la producono (senza questa il procariote non sopravviverebbe nel suo ambiente). Tra procarioti esistono notevoli differenze nella composizione della parete cellulare. La parete cellulare dei batteri è formata da peptidoglicano (o mureina), mentre negli archea è formata da pseudomureina. Il peptidoglicano è un polimero contenente amminoacidi e amminozuccheri.

Parete cellulare batterica

La struttura del peptidoglicano presenta la seguente composizione chimica: due amminozuccheri (N-acetilglucosamina e N-acetilmuramico) uniti da legami glicosidici β-1,4. I componenti formano un polimero lineare (glicano). Le catene degli amminozuccheri presentano legami crociati mediante ponti peptidici. Il gruppo amminico del primo amminoacido nel legame crociato peptidico si lega con il gruppo carbossilico dell'acido N-acetilmuramico mediante un ponte peptidico. È necessario che uno degli amminoacidi che formano il peptide sia un diaminoacido, ovvero che contiene due gruppi amminici (lisina o acido diamilopimelico). Il diaminoacido può legare uno dei suoi gruppi amminici ad una catena peptidica e l'altro all'altra catena in modo da creare legami crociati con i peptidi e le loro catene di amminozuccheri. La conseguenza è la formazione di una rete bidimensionale intorno alla cellula, che dà forma e rigidità alla parete cellulare.

Parete dei gram- e gram+

Il dominio bacteria si divide in due gruppi sulla base della colorazione di Gram. Le differenze tra Gram- e Gram+ si trovano sulla composizione chimica della parete cellulare.

• La parete dei Gram- è più complessa in quanto oltre al peptidoglicano, possiede un ulteriore strato detto membrana esterna.
• Il principale costituente della parete dei Gram+ è il peptidoglicano (da 40 a 80 % del peso della parete). Altri componenti sono acidi teicoici (polimeri di poliolfosfati) e acidi teicuronici (polimeri di più subunità ripetitive).
• I batteri Gram- presentano una struttura molto più complessa. La parete ha un contenuto di peptidoglicano molto basso (5% del peso della parete) ma svolge un ruolo estremamente importante in quanto si lega ad una delle principali proteine della membrana esterna. Il complesso che si forma è chiamato peptidoglicano-lipoproteina.

Membrana esterna

La membrana esterna dei batteri Gram- appare simile ad una membrana cellulare. Ciascuno dei due foglietti della membrana esterna è composto da una parte lipidica (con testa idrofilica verso l'esterno e code idrofobe verso l'interno che tengono uniti i due foglietti). Il foglietto esterno funge da sito di attacco al lipide A (legato covalentemente forma il core polisaccaridico della membrana) e ad una lunga catena di polisaccaridi. Il complesso che si forma è chiamato lipopolisaccaride (LPS). Il foglietto inferiore invece presenta dei piccoli polipeptidi contenenti una porzione lipidica (lipoproteine) che si lega covalentemente al diaminoacido del peptidoglicano. La funzione della lipoproteina è quindi quella di legare la membrana esterna alla parete cellulare. Altre proteine presenti nella membrana esterna svolgono importanti funzioni quali il trasporto di molecole (porine, che formano canali attraverso il doppio strato lipidico) o l'ingresso di composti specifici (vitamina B, chelati del ferro, disaccaridi, composti fosforilati).

Parete cellulare degli archea

La parete degli archea contiene un materiale simile al peptidoglicano, ovvero la pseudomureina. La catena di zuccheri nella pseudomureina contiene N-acetilglucosamina, mentre l'acido N-acetiltalosaminuronico sostituisce l'N-acetilmuramico. Inoltre, gli zuccheri sono uniti con legami β-1,3 e gli amminoacidi dei legami crociati peptidici non sono stereoisomeri D.

Funzione della parete cellulare

I procarioti crescono solitamente in ambienti acquosi ipotonici (concentrazione di particelle all'interno superiore alla concentrazione esterna). La membrana cellulare tuttavia consente l'ingresso di acqua nella cellula per osmosi, in modo tale che la concentrazione delle particelle sia uguale all'interno e all'esterno della cellula. Quando si verifica questo fenomeno, le dimensioni della cellula aumentano e la membrana si estende per permettere l'aumento di volume. Come causa è presente la pressione di turgore. La parete cellulare serve per evitare che la pressione di turgore possa distendere troppo la membrana, causando la lisi della cellula.

I batteri Gram- non possono produrre protoplasti in quanto non si possono rompere completamente le pareti cellulari con questo trattamento. In tali batteri infatti la rimozione del peptidoglicano porta alla formazione di cellule che presentano ancora la membrana esterna. Essi sono detti sferoplasti.

Esempio: il lisozima è un enzima che causa la scissione dei legami del peptidoglicano. Se il batterio si trova in un ambiente ipotonico avviene la rottura della cellula, se invece l'ambiente viene reso isotonico, la cellula non subisce nessuna lisi. Si formano così delle strutture prive di parete cellulare chiamate protoplasti in grado appunto di sopravvivere in ambiente isotonico perché la pressione da rigonfiamento della cellula è compensata dalla pressione osmotica del terreno.

Appendici della cellula

Numerosi procarioti sintetizzano delle appendici situate fuori dalla cellula.

Fimbrie, pili e spine

• Di natura proteica
• Lunghi circa 1μm
• Diametro di 3-5nm

Tutte le tre forme sono strutturalmente identiche, in quanto sono composte da molecole proteiche disposte in simmetria elicoidale, avvolte attorno a una cavità centrale. La funzione principale dei pili è quella di favorire l'attacco di alcuni batteri (ad esempio l'attacco di due cellule durante la coniugazione cellulare). In alcune cellule i pili sono responsabili dell'espulsione di proteine. Le fimbrie sono inoltre coinvolte in un tipo di motilità contrattile che si verifica nei batteri striscianti.

Flagelli

I flagelli sono lunghe appendici flessibili che permettono il movimento della cellula tramite rotazione.

• Di natura proteica
• Da 5 a 20μm di lunghezza
• 10-20nm di diametro
• Presenti sia in Gram+, che in Gram-, che in alcuni archea

I flagelli agiscono come un propulsore, quindi compiono un movimento rotatorio che consente alla cellula di muoversi nell'acqua. Durante il processo, l'energia chimica generata viene trasformata in energia meccanica.

Alcuni batteri possiedono un unico flagello polare, quindi il loro movimento viene detto flagellazione polare monotrica. Altre specie producono un flagello per parte, con flagellazione anfitrica, altre sono caratterizzate dalla presenza di ciuffi di flagelli e il movimento che inducono è detto flagellazione lofotrica, altri ancora presentano flagelli su tutta la superficie del batterio. Questi ultimi si spostano infatti per flagellazione peritrica.

Il flagello è composto da tre parti principali:

• Un lungo filamento che si estende dalla cellula fino all'ambiente esterno
• Un uncino che connette il filamento alla superficie cellulare
• Un corpo basale che ancora il flagello alla parete e alla membrana cellulare mediante strutture a forma di disco dette anelli

In un tipico batterio Gram- la funzione di ancoraggio è svolta dagli anelli L, P, MS e C. Il filamento flagellare è composto da una proteina (flagellina). Le varie subunità di flagellina quindi si assemblano fino a formare l'intero filamento, che si presenta in una struttura elicoidale cava all'interno. Sono presenti inoltre dei geni coinvolti nella motilità del flagello, nella produzione delle subunità di flagellina, delle proteine del motore flagellare e della struttura del corpo basale.

Il movimento rotatorio del flagello necessita di energia generata dalla forza protonmotrice. L'energia necessaria viene impartita dalle proteine Mot che sono inserite nella membrana cellulare e agiscono come motore che imprime il movimento rotatorio al flagello.