Riassunti Microbiologia agraria

Microbiologia

Sistemi di trasporto

Le funzioni della membrana citoplasmatica sono tre:

• Barriera di permeabilità selettiva: previene dispersioni e funziona come centro di transito per il trasporto di nutrienti da e verso la cellula.
• Sito di ancoraggio: siti di molte proteine coinvolte nel trasporto nella bioenergetica e nella chemiotassi.
• Conservazione dell’energia: questo tramite forza proton motrice (membrana può essere energeticamente carica grazie alla separazione tra protoni H⁺ all'esterno e ioni ossidrile OH^- all'interno, forza proton motrice serve per trasporto, motilità e biosintesi ATP).

Nel citoplasma si ha una soluzione acquosa di sali, zuccheri, amminoacidi e nucleotidi. La membrana impedisce il passaggio passivo dei soluti dall'interno della cellula verso l’esterno e viceversa. L’acqua riesce a passare la membrana perché è molto piccola la molecola e debolmente polare, ma la cellula non usa molto questo metodo per ottenere acqua, che è principalmente trasportata tramite acquaporine.

Tipi di trasporto

Il trasporto passivo consiste nel movimento della sostanza nella direzione del suo gradiente di concentrazione, da alta concentrazione a bassa concentrazione (trasporto semplice e facilitato).

Il trasporto attivo consiste nel movimento della sostanza contro gradiente di concentrazione e si ha bisogno di energia. Questo è il caso più tipico in natura.

Trasporto passivo

• Diffusione semplice o passiva: le molecole si muovono dalla regione a più alta concentrazione a quella più bassa finché si giunge ad un equilibrio. Passano solo poche molecole apolari e molecole poco polari come H₂O, O₂ e CO₂.
• Diffusione facilitata: la membrana plasmatica contiene diversi tipi di proteine che mediano l'interazione tra la cellula e l’ambiente esterno. Le proteine facilitano determinate sostanze, come può essere acqua, esistono delle proteine canale tipo le acquaporine, costituite da molte alfa eliche. Le acquaporine costituiscono dei canali nella membrana che facilitano l'ingresso di sostanze nella cellula, funzionano da pori selettivi della membrana (non passa tutto). Un altro caso di diffusione facilitata è quella che comporta l’uso di proteine trasportatrici o permeasi o carrier. In questo caso non si ha un canale sempre aperto ma delle proteine che si aprono e chiudono e permettono ingresso o fuoriuscita di sostanze dalla cellula. La proteina riconosce la molecola da far entrare, la sostanza si lega a un sito attivo del carrier, questo determina un cambiamento conformazionale che porta la sostanza trasportata dalla parte opposta della membrana. Le molecole si spostano secondo il loro gradiente di concentrazione. Se la concentrazione del substrato è abbastanza alta da saturare il trasportatore, il tasso di captazione è massimo e non aumenta ulteriormente anche se si aumenta la concentrazione di substrato.

Trasporto attivo

È un processo energia dipendente, usa ATP o forza proton motrice o altre molecole energetiche tipo il fosfoenolpiruvato, muove le molecole contro un gradiente di concentrazione, concentra le molecole nella cellula, è un meccanismo usato spesso in natura, implica l’uso di proteine carrier. L’effetto di saturazione del carrier si osserva ad alte concentrazioni di soluto, vi è un legame altamente specifico tra proteina carrier e soluto e molte proteine trasportatrici reagiscono solo con una singola molecola, mentre altre mostrano affinità per una classe di molecole strettamente correlate. Inoltre, la sintesi di proteine di trasporto è altamente regolata dalla cellula, la presenza di specifici trasportatori nella membrana citoplasmatica in un dato momento è funzione sia delle risorse disponibili sia della loro concentrazione. I sistemi di trasporto sono principalmente tre:

• Trasporto semplice: controllato dall'energia associata alla forza proton motrice dove vi è uso solo di una proteina.
• Traslocazione di gruppo: consiste nella modificazione chimica della sostanza trasportata e si usano una serie di proteine, controllata dal fosfoenolpiruvato.
• Sistema ABC: coinvolge proteine di legame periplasmatiche e l’energia fornita da ATP, uso di tre proteine.

Tipi di trasporto attivo

• Trasporto semplice: consiste in una proteina di trasporto integrale di membrana o trans membrana. Il trasporto è controllato da forza proton motrice. Esistono molti trasporti semplici: mentre passa un protone all'interno della membrana contemporaneamente fuoriesce sostanza o entra sostanza. I trasportatori di membrana sono costituiti da 12 alfa eliche che procedono avanti e indietro nello spessore della membrana per formare un canale attraverso cui un soluto è trasportato. L’evento di trasporto implica che la proteina di membrana vada incontro a un cambiamento conformazionale a seguito del legame con il suo soluto a seconda che vi sia uniporto (entra una molecola sola), antiporto (entra sostanza e ne fuoriesce un'altra), e simporto (dove entrano due sostanze insieme). Un esempio di un trasportatore semplice è quello della LAC permeasi. Il lattosio è uno zucchero che la cellula può usare, questo tipo di permeasi è un symporter.
• Traslocazione di gruppo: vengono coinvolte molte proteine. Per esempio, per trasportare un dato gruppo servono 5 proteine. La sostanza viene modificata chimicamente durante l’attraversamento della membrana. La sostanza che deve entrare si lega al fosfoenolpiruvato, ossia viene fosforilata, si lega a un gruppo fosfato ceduto da fosfoenolpiruvato che diventa piruvato. Il glucosio per poter entrare nella cellula deve essere fosforilato, affinché venga fosforilato deve ricevere gruppo fosfato da fosfoenolpiruvato che diventa piruvato ad un enzima 1 che si fosforila e poi si defosforila per fosforilare enzima successivo, sistema di fosfotransferasi a cascata (enzima Hpr, poi enzima 2, poi enzima 2b e poi enzima 2c che cambia conformazione quando riceve fosfato e lo dà al glucosio), energia liberata da fosfoenolpiruvato, proteine coinvolte 5, due non specifiche (sempre uguali a tutti i sistemi di traslocazione gruppo), tre specifiche (per i tipi di zucchero, tipo diverso con mannosio o fruttosio).
• Sistema ABC: coinvolte tre proteine, una proteina chiamata periplasmatica (tra peptidoglicano e membrana) che lega sostanza interessa. Questa proteina lega sostanza interesse a livello di proteine membrana che permette ingresso, tutto questo reso possibile con una terza proteina che scinde ATP in ADP+fosfato e grazie all'energia liberata da questo legame la sostanza di interesse può entrare. È l'abbreviazione di ATP binding cassette, energia usata è ATP, una proteina periplasmatica (nei gram-negativi libera nel periplasma, nei gram-positivi ancorate alla superficie esterna della membrana citoplasmatica). Una volta che sostanza legata da proteina periplasmatica specifica, la proteina si lega a proteina di membrana chiamata anche trasportatore trans membranario. A questo punto la sostanza viene rilasciata da proteina periplasmatica grazie ATP, questo trasportatore trans membranario manda segnale alla proteina idrolizzante ATP all'interno della cellula che scinde ATP in ADP, grazie a questa liberazione di energia la proteina canale di membrana cambia conformazione e permette di entrare al substrato.

L'endospora batterica

Non tutte le cellule possono produrre endospore. Le endospore hanno un ruolo di difesa per la cellula, i batteri che le producono si chiamano sporigeni, di questi c'è da ricordare Bacillus e Clostridium. L'endospora prende nome di forma di vita quiescente, metabolicamente ferma, il fatto che non avvengano metabolismi la rende resistente ad una serie di avversità esterne del tipo ambientali, come troppo calore, radiazioni, composti nocivi chimici e disidratazione. Quando la cellula individua situazioni ambientali avvia la sporulazione, sintesi dell'endospora. Le endospore possono disperdersi facilmente tramite vento, acqua o attraverso intestino di animali, presente anche nell'intestino dell'uomo. Endospora molto rifrangente al microscopio ottico, non assorbe colorante a meno che non facciamo colorazione con verde malachite dopo essere passata a vapore poi lavaggio con acqua e colore di contrasto con safranina (è chiara dentro la cellula più scura).

Endospora possibile localizzarla in più punti della cellula e dopo osservazione microscopio si può determinare con che sporigeno abbiamo a che fare, un esempio il Clostridium tetani ha una posizione della spora terminale, posizione terminale anche chiamata a bastoncino di tamburo, la spora con posizione subterminale è tipica del Clostridium botulinum oppure spora centrale. Struttura endospora presenta una disposizione complessa, dall'esterno all'interno si trova:

• L'esosporio (sottile rivestimento proteico che riveste endospora), più internamente vi è la tunica (esterna ed interna, costituita da proteine specifiche della spora non tipica della cellula, hanno capacità a resistere a composti chimici come perossido di idrogeno), poi vi è la corteccia anche chiamata cortex (strato di peptidoglicano più compatto all'interno e lasso esternamente, mima parete cellulare, presenta meno legami crociati il lasso quindi risulta meno compatto e meno robusto) poi parete del core e core in senso stretto (parte centrale della spora, contiene DNA rivestito e protetto da piccole proteine acido solubili chiamate SASP small acid-soluble proteins, vi sono ribosomi per traduzione proteica dopo quiescenza, si hanno tutte strutture per membrana citoplasmatica e per quando tornerà in stato vegetativo. Presente DPA acido dipicolinico, particolare amminoacido che non entra mai a far parte delle proteine strutturali, fondamentale).

La spora quiescente può rimanere tale per secoli, trovate anche in insetti del paleolitico e germinavano, la germinazione è un processo della spora matura a farla diventare vegetativa, succede se vi sono condizioni adatte per la vita. L'endospora ha molte resistenze a stress ambientali, le spore permangono tali per anni, resistono anche a 150 gradi a tratti, solo con autoclave con tanta pressione e 121 gradi si uccidono.

La grande resistenza la dà i rivestimenti sporiali, il fatto che sia disidratata rispetto al citoplasma di una cellula vegetativa (no metabolismo nella spora), affinché non vi sia acqua deve avvenire in primis liberazione di acqua quando avviene sporulazione e aiutare disidratazione del core grazie al DPA, che lega il calcio e l'acqua rendendola meno libera ai processi metabolici, la cellula tende a perdere acqua e la poca acqua rimasta libera viene complessata e legata al DPA, inoltre il DPA si intercala tra basi DNA e dà stabilità al DNA dalla denaturazione, il DNA con DPA rende DNA più stabile a denaturazione per calore. Il DNA in questa fase deve essere protetto perché la spora in ogni momento potrebbe tornare vegetativa, perciò la cellula ha bisogno del genoma intatto, il core diventa disidratato nel processo sporulazione e raggiunge H₂O al 10-25% simile a gel, inoltre nel core vi sono le SASP, queste proteine hanno ruolo protettivo verso DNA, lo legano e lo proteggono da danni potenziali verso ambiente sfavorevole per la cellula in particolare contro calore e raggi UV. Le proteine SASP poi demolite quando la cellula germinerà perché non serviranno più, queste proteine solo nella spora e una volta demolite verranno usati amminoacidi per altre proteine o materiale cellulare per produrre energia.

Ricapitolando resistenza data da:

• Strati sporali
• DPA
• Proteine SASP

Generalmente l'input della sporulazione è l'assenza nutriente o disidratazione, dopodiché gli stadi sono 7 per passare da cellula vegetativa a germinazione spora. Il passaggio dell'endospora a cellula vegetativa 3. Il DNA si condensa al centro della cellula e duplica, si forma la prespora, c'è invaginazione, DNA della cellula madre si degrada, peptidoglicano crea cortex, DPA si lega al calcio, si formano tuniche sporiali, ultimo stadio è formazione strato esterno, enzimi litici lisano cellula madre e si libera endospora. Sporulazione dura dalle 6 alle 8 ore, con la germinazione la cellula torna vegetativa, si ha:

• Attivazione: calore 60-80 gradi per qualche minuto (calore subletale) con conseguente danneggiamento strati esterni e permeabilizzazione degli involucri esterni, inizio scambi metabolici.
• Germinazione: si hanno reazioni degradative, idrolisi corteccia, eliminazione DPA e del calcio, inizio idratazione, ricomparsa termosensibilità.
• Esocrescita: fuoriuscita cellula vegetativa, inizia metabolismo respiratorio e attività biosintetica, mRNA procede con traduzione, le proteine che proteggono DNA costituiscono la risorsa di amminoacidi ed energia utilizzata durante la germinazione.

Spore eliminate con calore secco (incenerimento), calore umido (autoclave 121 gradi per 15 min ad 1 atm), tindalizzazione (ripetute esposizioni a 60-80 gradi per 30 min per indurre attivazione e poi inattivazione forme vegetative), prolungata esposizione ad energia radiante (gamma o x).

Cellule eucariotiche

Regno composto da piante, funghi, animali, protisti, possono essere unicellulari e pluricellulari, generalmente 10 volte più grandi dei procarioti, la membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare, separa ambiente esterno e contenuto. Tipico degli eucarioti è la compartimentazione interna, altra caratteristica è il nucleo che contiene genoma in cromosomi con presenza di involucro nucleare. Si hanno:

• Mitocondri e cloroplasti con ruolo energetico (funzionano in modo diverso)
• Lisozima
• Apparato endoplasmatico liscio e rugoso
• Ribosomi
• Apparato di Golgi
• Flagello

Il nucleo contiene cromosomi cellula eucariotica e DNA avvolto in una serie di proteine chiamate istoni (istoni del core e istoni H1) che hanno funzione di superavvolgere il genoma per compattarlo e ottenere cromosomi. L'involucro nucleare presenta pori che mettono in comunicazione nucleo con citoplasma, questi pori servono il passaggio di molecole tra nucleo e citoplasma, esiste un complesso proteico che ha ruolo di trasportare dentro fuori proteine e acidi nucleici in particolare all'interno del nucleo avvengono molte attività biosintetiche come duplicazione e replicazione e sintetizzazione di rRNA, vengono portate dentro proteine che si legano a rRNA per formare subunità ribosomiali. Le due subunità ribosomiali poi esportate nel citoplasma dove vengono sintetizzati ribosomi. Si ha stretta correlazione tra reticolo endoplasmatico rugoso e membrana nucleare. Il Reticolo endoplasmatico rugoso è caratterizzato da presenza ribosomi (RER), il liscio non presentano ribosomi (REL).

I mitocondri e cloroplasti hanno ruolo energetico nella cellula, nei mitocondri vi è respirazione cellulare quindi produzione ATP per degradazione composti organici, nei cloroplasti si ha fotosintesi. I mitocondri costituiti da membrane, una esterna ed avvolge, è porosa, quella interna si ripiega internamente a formare creste mitocondriali, tra le creste abbiamo la matrice mitocondriale, dimensioni tipiche di un batterio (si pensa derivino da batteri poi inglobati da eucarioti, sia cloroplasti che mitocondri) e presentano un DNA proprio circolare, i mitocondri sono presenti in numero variabile, anche più di uno e a livello delle creste mitocondriali abbiamo enzimi per trasporto elettroni, la matrice possiede enzimi per ossidazione composti organici (enzimi ciclo acido citrico/Krebs nei procarioti si svolge nel citoplasma e negli eucarioti a livello della matrice mitocondriale), a livello delle creste trasporto elettroni. Possiedono proteine di trasporto per trasporto ATP oltre all'ATP sintetasi. I mitocondri possono avere morfologia diversa.

L'idrogenosoma è tipico di microrganismi eucarioti anaerobi dove viene svolta fermentazione, fermentazione per produrre energia, sono molti organelli e rispetto a mitocondri presentano più semplicità, non ci sono creste né tante membrane, non viene svolto CAC, metabolismo svolto a carico di piruvato. Il piruvato trasformato in acetato e questi prodotti producono ATP che fuoriesce dall'idrogenosoma per poi essere utilizzato.

I cloroplasti sono organelli che appaiono rivestiti da membrana esterna e presenti membrane interne che vanno a formare i grani e i tilacoidi. Lo spazio tra i tilacoidi e grani è lo stroma e tutte queste strutture hanno ruoli diversi. Energia solare utilizzata per produrre glucosio e ossigeno. La membrana esterna consente passaggio glucosio ed ATP una volta prodotto. Lo stroma contiene enzima RUBISCO (nei procarioti fotosintetici esiste). A livello delle membrane tilacoidi vi è clorofilla che cattura luce, forma la forza proton motrice controllata dalla luce che si traduce in sintesi ATP.

Il reticolo endoplasmatico si divide in rugoso e liscio, hanno stretta continuità. I ribosomi presenti nel rugoso e sintetizzano proteine e derivati come glicoproteine invece il liscio produce lipidi e metamorfosi carboidrati. In continuità con il reticolo si ha l'apparato di Golgi, collegato con REL tramite vescicole. Il Golgi è un insieme di membrane impilate, sostanze impacchettate in vescicole di trasporto e una volta trasformate nel Golgi vengono portate nel citoplasma (secrezione tramite esocitosi), collegate a queste vescicole abbiamo organelli chiamati lisosomi, hanno ruolo di digerire altre molecole ed organelli di cui la cellula non ha più bisogno, ruolo riciclaccio, cellula tende a demolire quello che non ha più bisogno per usare ciò che ne estrae. I lisosomi contengono enzimi digestivi che possono digerire organelli danneggiati o sostanze che devono essere demolite in sostanze più semplici, enzimi idrolitici, vescicole rivestite da membrana, cellula rivestisce queste vescicole per contenere enzimi.

Il citoscheletro negli eucarioti è un'impalcatura molto complessa costituita da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi, questi elementi proteici compongono una fitta rete proteica che si articola all'interno della cellula eucariotica.