Nozioni, Microbiologia Generale

BIOSINTESI DEL PEPTIDOGLICANO

Il peptidoglicano, chiamato anche mureina, è uno strato della parete cellulare che si riscontra sia in

gram – che in gram +. La sua biosintesi è complessa e avviene in diverse fasi:

Alla N-acetilglucosammina (NAG) che si trova nel citoplasma si unisce l’uridin trifosfato

• (UTP) formando il complesso NAG-UDP;

Al complesso si unisce successivamente P enol-piruvato (PEP) che trasforma NAG in

• N-acetilmuramico. Si forma così un uovo complesso, il NAM-UDP;

Al gruppo carbossilico del NALM-UDP si legano gli aminoacidi:

• L-Alanina;

• D-glutammico;

• L-lisina

• Successivamente si aggiungono ai 3 amminoacidi altre 2 molecole di D-Alanina;

• Si forma il complesso UDP-NAM-pentapeptide;

• A questo complesso si aggiunge una molecola di NAG a formare l’unità strutturale di base;

•

1. A questo punto le unità strutturali di base vengono trasportate dal bactoprenolo 0'pirpfosfato

(conosciuto anche come undecaprenil P) verso l’esterno della membrana citoplasmatica.

L’estremità polare del bactoprenolo si lega all’unità fondamentale, mentre l’estremità non

polare si unisce alla membrana citoplasmatica;

Le fasi ora si svolgono all’esterno del citoplasma, ove non vi è più la possibilità di sfruttare

• l’ATP. Si libera un gruppo fosforico dal bactoprenolo che ritorna così sulla membrana

citoplasmatica per iniziare un nuovo trasporto;

Le varie unità strutturali vengono legate fra di loro a formare un polimero. La

• polimerizzazione è catalizzata dalle trans glicolasi;

I vari polimeri vengono legati fra loro tramite l’intervento delle trans peptidasi; la quinta

• D-alanina di una struttura di base si distacca apportando l’energia necessaria e si va a legare

con l’ultimo amminoacido di un’altra unità strutturale. Nei gram negativi si può avere un

collegamento diretto fra la quarta D-alanina di una catena e l’acido meso-diaminopimelico

di un’altra catena adiacente.

DIFFERENZIAMENTO

E’ una strategia di sopravvivenza che si innesca quando le condizioni ambientali esterne non sono

più favorevoli alla vita del batterio stesso (mancanza di nutrienti, variazione di pH, di temperatura,

disidratazione). I batteri (perlopiù gram +), che naturalmente compiono un ciclo di vita vegetativo

dove metabolizzano sostanze e si riproducono, possono ricevere lo stimolo di bloccare questo ciclo

iniziando il differenziamento. Con il differenziamento il batterio diventa spora e inizia una fase di

quiescenza. Questa nuova cellula ha lo stesso corredo cromosomico del batterio di partenza. La

sporulazione è una complessa trasformazione della cellula batterica in cui si realizza uno stato di

criptobiosi (stato di vita ametabolico). I 70 geni della fase vegetativa vengono silenziati e si attivano

i 30 geni della fase sporigena.

La struttura della spora è così suddivisa:

core (o protoplasto) contenente una copia completa del cromosoma della corrispondente

• cellula vegetativa. Tale genoma ha spiccata resistenza ai raggi ultravioletti dovuta alla

presenza delle proteine SASP (Small Acid Soluble Proteins) presenti unicamente nelle

spore.

Membrana plasmatica che circonda il core e lo protegge;

• Parete cellulare, che circonda la membrana plasmatica;

• Corteccia, esterna alla parete cellulare. Qui è presente l’acido dipicolinico (derivato

• dell’acido diaminopimelico) che si complessa con il calcio formando il dipicolinato di

calcio. Questa molecola favorisce una notevole resistenza al calore. Sono contenuti in minor

quantità i peptidoglicani; la corteccia ha nel suo insieme una struttura laminare.

Tunica interna e tunica esterna (mantelli), che insieme costituiscono il 50% del volume

• della spora. Costituiscono una struttura rigida particolarmente resistente al trattamento con

agenti chimici e fisici. Conferiscono alla spora elasticità e resistenza alla pressione.

Esosporio, elemento facoltativo costituito da fosfolipidi, a. teicoico e tracce di a.

• diaminopimelico.

La spora ha diverse proprietà rispetto al batterio di origine. Infatti:

Assenza totale di sintesi proteica;

• Assenza totale (o quasi) di attività enzimatica;

• Assente consumo di O ;

• 2

Resistenza ai raggi UV (modificata conformazione del DNA);

• Resistenza al calore e alla disidratazione (dipicolinato di Ca);

• Resistenza al lisozima (lattami muramici nel peptidoglicano);

• Presenza di nuovi antigeni;

• Notevole rifrangenza al microscopio ottico.

•

Fasi della sporulazione

La prespora è contenuta nello sporangio, una regione della cellula batterica rifrangente al

• microscopio ottico. La produzione di enzimi viene aumentata;

si avvia la sintesi di RNA e proteine specifiche per la spora. Alcune proteine contengono

• cisteina; più molecole di cisteina si legano fra loro tramite ponti disolfuro (S-S) perdendo gli

idrogeni. Si sintetizzano gli antibiotici;

il DNA viene duplicato, separato e posizionato in zona equatoriale. Contemporaneamente si

• inizia la secrezione di enzimi litici;

Con un’invaginazione si forma il setto che permetterà alla prespora di staccarsi dalla cellula.

• Si forma la corteccia (cortex) che conferisce resistenza al calore (dipicolinato di Ca);

• Si formano i coat che permettono invece una resistenza alle radiazioni;

• La spora assume la caratteristica rifrangenza trans lucida e tramite la lisi viene rilasciata

• dalla cellula.

La sporulazione richiede 24 ore per essere portata a termine.

Fasi della germinazione

La germinazione è il meccanismo inverso della sporulazione. Quando ritornano ad esserci le

condizioni favorevoli alla sopravvivenza (abbondanza di nutrienti, pH adeguato, ambiente idratato)

la spora torna ad essere la cellula iniziale.

Nella fase di attivazione si attua il risveglio della spora quiescente. In natura ciò coincide

• con l’invecchiamento della spora. Vengono silenziati i 30 geni della sporulazione e vengono

attivati i 70 geni della germinazione;

La lisina agisce come antiossidante;

• Nella fase di iniziazione si elimina il dipicolinato di calcio dalla corteccia, permettendo

• l’entrata di acqua che rigonfia la cellula (processo definito swelling); Si perde la parete della

spora.

Nella fase di crescita si ricostruisce la nuova cellula germinativa con la ripresa di sintesi

• (nell’ordine) di tRNA, rRNA, mRNA, proteine e DNA.

Nella fase di esocrescita (processo definito outgrowth) si ha una prima e seconda divisione

• primaria.

Nei 5 minuti inizia, li si ha la perdita di resistenza al calore, aumento di colorazione al cristal

violetto, smascheramento di enzimi, opacità generalizzata e respirazione cellulare. Nella prima ora

si ha un notevole aumento di volume di DNA; il pH interno da 5,5/6 ritorna ad essere 7.

La forma sporigena è molto resistente; se per uccidere la forma vegetativa bastano 10 minuti ad una

temperatura di 60° C, per neutralizzare la spora occorrono 15 minuti a 121° C con una pressione di

1 atm all’interno dell’autoclave. Le spore possono essere agenti eziologici di malattie infettive

gravi, come il tetano (provoca paralisi spastica). Quando si ha una ferita profonda l’apporto di

ossigeno è scarso; le spore, che sono molto leggere e simili alla polvere, possono penetrare

facilmente nella ferita. La spora inizia la fase di germinazione e ritorna ad essere batterio. Il batterio

produce nel ciclo vegetativo una tossina che provoca una costante contrazione muscolare. Le spore

possono essere prodotte nell’intestino dei ruminanti; sono ambienti anaerobici dove vivono batteri

in forma vegetativa. Quando questi batteri vengono espulsi si disidratano e non si trovano più nelle

loro condizioni ottimali; per questo motivo attivano la sporulazione.

Anche l’antrace è provocata dall’inalazione di spore (che causano il carbonchio); è spesso correlata

al rischio di guerre batteriologiche.

METABOLISMO BATTERICO

Il termine metabolismo indica l’insieme delle reazioni biochimiche attraverso le quali un

organismo, partendo da composti organici ed inorganici, giunge alla formazione di specifiche

macromolecole. Tutti i processi metabolici hanno come ultimo scopo quello di permettere la

duplicazione cellulare dando quindi luogo alla formazione di nuova progenie.

Il metabolismo viene inteso come l’insieme di tutti i processi svolti dalla cellula; si divide in:

Catabolismo, ovvero le reazioni di degradazione di molecole complesse in molecole più

• semplici con rilascio di energia. Attraverso il catabolismo si fornisce dell’energia necessaria

per lo svolgimento dei processi vitali;

Anabolismo, ovvero le reazioni di sintesi di molecole più complesse a partire da composti

• semplici con consumo di energia. Attraverso i processi anabolici si avvia la crescita, la

replicazione e la riparazione delle strutture cellulari.

Con le reazioni redox si coinvolgono elettroni forniti da un donatore e ricevuti da un accettore;

chimicamente:

La riduzione viene definita come l’aggiunta di uno o più elettroni ad una sostanza;

• L’ossidazione come la rimozione di uno o più elettroni provenienti da una sostanza.

•

Spesso in biochimica le redox coinvolgono il trasferimento di un intero atomo di idrogeno inteso

+

come H . Questo tipo di reazione permette la liberazione di energia che viene utilizzata per produrre

composti come l’ATP; il trasferimento di elettroni coinvolge uno o più intermediari (trasportatori).

Fra quest’ultimi si ricordano: +

Coenzima nicotinamide adenin dinucleotide (NAD );

• NAD fosfato (NADP)

•

L’energia prodotta viene conservata infine nei legami fosfato. Il più importante composto di fosfato

è l’adenosina trifosfato (ATP), costituita da una adenosina ribonucleoside a cui sono legate in serie

tre molecole di fosfato; nella cellula la concentrazione di ATP è relativamente bassa poiché viene

continuamente scissa per liberare energia.

RESPIRAZIONE BATTERICA

La respirazione batterica si può suddividere in tre fasi:

Ossidazione del glucosio con produzione di due gruppi acetili;

• Incanalamento degli acetili nel ciclo di Krebs con rilascio di atomi di idrogeno energizzati;

• Separazione degli atomi di idrogeno in protoni ed elettroni, con trasferimento lungo la

• catena respiratoria di quest’ultimi.

GLICOLISI.

Il punto di partenza del processo respiratorio riguarda la glicolisi, reazione dove la molecola del

glucosio (6 atomi di carbonio) viene scissa in due molecole di acido piruvico (3 atomi di carbonio)

con una resa di due molecole