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Cellula procariotica: struttura e funzionalità
Prof. Raffaele Piccolomini Ordinario di Microbiologia e Microbiologia Clinica
Laboratorio di Microbiologia Clinica Dipartimento di Scienze Biomediche
Università degli Studi “G. D’Annunzio, - Chieti”
Cellula procariotica vs cellula eucariotica
Cellula = unità basale della vita Organizzazione della struttura cellulare:
Eucarioti: Animali Piante Funghi Protozoi Alghe
Procarioti: Eubacteria Archibacteria (no parete cellulare, caratteri simili agli Eucarya)
Cellula procariotica
I batteri (Bacteria) sono: Procarioti Unicellulari Piccole dimensioni (microscopici) Generalmente più piccoli delle cellule eucariotiche Assenza di compartimentazioni intracellulari Assai complessi (funzionalmente), a dispetto delle loro dimensioni Materiale genetico organizzato in un unico cromosoma
Cellula procariotica vs cellula eucaristica - Dimensioni Procarioti generalmente più piccoli (e quindi strutturalmente più semplici) degli Eucarioti:
Cellula procariotica: 1 < d < 10 µm Cellula eucariotica: 10 < d < 100 µm
Dimensioni cellula = 1/k x superficie/volume cellulare Cellula sferica: d= 2 µm, sup/vol = 3:1
“ “ d= 20 µm, sup/vol = 0.3:1 In presenza di un elevato ratio sup/vol, i nutrienti possono facilmente e rapidamente raggiungere ogni parte della cellula (es.
Procarioti) La cellula eucariotica richiede, al contrario, una varietà di organelli interni specializzati per assicurare il metabolismo, la sintesi di
energia e gli scambi con l’ambiente esterno
Cellula procariotica - Morfologia La maggior parte dei batteri si presenta sotto forma di:
Cocchi (d = 0.5-1 µm) Sferici od ovoidali aventi uno o differenti organizzazioni basate sui piani di divisione cellulare:
Divisione in un piano: Diplococchi (paia di cocchi) Streptococchi (catenella di cocchi)
Divisione su due piani: Tetradi (4 cocchi disposti a quadrato)
Divisione su tre piani: Sarcina (8 cocchi disposti a cubo)
Divisione su piani casuali: Stafilococchi (ammassi irregolari)
Cellula procariotica - Morfologia Bacilli (0.5-1 µm x 1-4 µm):
Allungati, con estremità arrotondate Si dividono in un piano producendo:
Bacillo (singolo) Streptobacillo (catena di bacilli) Cocco-bacillo (ovalare, simile ad un cocco)
Cellula procariotica- Morfologia Spirale (1 - >100 µm):
Vibrione (ricurvo, a virgola) Spirillo (ispessito, spirale rigida) Spirocheta (sottile, spirale flessibile)
Cellula procariotica vs cellula eucaristica - Corpo nucleare
Eucarioti: Membrana nucleare dotata di pori che la collegano al reticolo endoplasmico
Il corpo nucleare è chiamato nucleo una o più paia di cromosomi lineari (DNA + istoni) Nucleolo
Procarioti: No membrana nucleare Il corpo nucleare è chiamato nucleoide Generalmente contiene uno (o più) cromosomi circolari (tranne Borrelia spp.) (DNA + proteine histone-like)
No nucleolo
Cellula procariotica - Nucleoide Composizione:
cromosoma batterico (cromonema) Singolo, bicatenario, doppia elica, circolare, superavvolto Lungo ≈ 1000 µm, contiene ≈ 3500 geni DNA-topoisomerasi (es. DNA-girasi) necessari per la sua replicazione
elementi genetici extracromosomici Plasmidi
Piccole dimensioni, DNA non cromosomico, doppia elica, elicoidale, circolare Elementi trasponibili
Piccole sequenze DNA Traslocano da una regione all’altra del genoma batterico, all’interno della stessa cellula
Cellula eucariotica (mouse L-cell)
Cellula procariotica (Bacillus megaterium)
Cellula procariotica - Nucleoide
Funzioni: Cromosoma batterico DNA determina quali proteine ed enzimi è in grado di sintetizzare l’elemento cellulare e, quindi, quali reazioni chimiche è in grado di
svolgere Plasmidi, trasposoni
Veicolano sequenze geniche non presenti sul cromosoma, codificanti per differenti prodotti (batteriocine, adesine, siderofori, pili, determinanti antibiotico-R, etc
Cellula procariotica vs cellula eucariotica - Strutture citoplasmatiche
Eucarioti: Ribosomi 80S (60S + 40S) Organuli associati alla membrana interna (mitocondri, app. Golgi, reticolo endoplasmatico, vacuoli, lisosomi)
Cloroplasti (fotosintesi) Citoscheletro
Procarioti: Ribosomi 70S(50S + 30S) No organuli associati a membrana Granuli (inclusioni) con funzione di riserva nutrizionale:
Glicogeno (poli-betaidrossibutirrato) Polifosfati (granuli metacromatici o di volutina)
Cellula procariotica - Ribosomi
Generalmente, una cellula batterica può contenere fino a 15.000 ribosomi Composizione:
Densità 70S (50S + 30S) 30S = 21 proteine + RNA16S 50S= 34 proteine+RNA 5S e 23S
RNA-ribosomiale Proteine
Funzione: Sede della sintesi proteica
Traduzione di m-RNA
Cellula procariotica - Citoplasma
Composizione: H2O (80%) Acidi nucleici (DNA, RNA) Enzimi Aminoacidi Carboidrati Lipidi Ioni organici Composti a basso peso molecolare La frazione liquida del citoplasma è chiamatacitosol
citosol
Cellula eucariotica (mouse L-cell) Cellula procariotica (Bacillus megaterium)
Cellula procariotica - Membrana citoplasmatica
Composizione: Tipica membrana biologica:
Natura fosfolipoproteica (40% lipidi, 60% proteine) Doppio strato fosfolipidico attraversato da proteine
Il doppio strato fosfolipidico è disposto in modo da orientare le terminazioni polari verso la fase citoplasmatica ed extracellulare; quelle non polari verso il centro della membrana
No steroli (ad eccezione dei Micoplasmi). Presenza di molecole steroli-simili (opanoidi) ad azione stabilizzante la frazione,lipidica
Cellula procariotica -Membrana citoplasmatica Funzioni:
Regolazione selettiva degli scambi da- e per l’ambiente extracellulare: Trasporto passivo:
Diffusione semplice Osmosi
Trasporto attivo: mediato da carrier proteici traslocazione di gruppo
Produzione di energia (ATP) Sintesi di peptidoglicano Sintesi di fosfolipidi Contiene le basi flagellari Eliminazione dei rifiuti metabolici Formazione di endospore
Cellula procariotica vs cellula eucariotica - Parete cellulare
Eucarioti: Piante, alghe e funghi
parete cellulare (cellulosa, chitina) Animali, protozoi
No parete cellulare
Procarioti: Eubacteria
parete cellulare composta da peptidoglicano Archibacteria
Proteina, carboidrato complesso (simili a peptidoglicano)
Cellula procariotica - Parete cellulare
I batteri, o Eubacteria, presentano una parete cellulare contenente un complesso polimerico caratteristico chiamato peptidoglicano (mureina)
Parete cellulare Gram-positivi vs Gram-negativi
Gram +: parete cellulare ispessita (200-800 A)
Gram –: parete cellulare sottile (30-50 A), spazio perplasmico, membrana esterna
Gram-Positivi Gram-Negativi
Peptidoglicano Peptidoglicano
Membrana plasmatica
Membrana
PeriplasmaMembrana esterna
Gram positive bacteria
Gram negative bacteria
Parete cellulare - Peptidoglicano
Parete cellulare - Gram-positivi
Glycan Backbone
Peptides
G G M
GG M
Escherichia coli Peptidoglycan
Gram-Negative Peptidoglycan (Direct Interbridge)
Parete cellulare – peptidoglicano Struttura polimerica
Parete cellulare - Funzioni
Forma cellulare Previene lisi osmotica cellulare Innesca difese dell’immunità innata (infiammazione, febbre, fagocitosi) Proteine di superficie agiscono come:
Adesine Invasine Enzimi Attività antifagocitaria
Gram+ Attivazione Complemento (via alternativa) Fissazione notevoli quantità di cationi (Mg++)
Tolleranza a sali biliari e NaCl Gram-
la natura semipermeabile previene l’ingresso di sostanze tox
Involucri esterni Gram-positivi
Acidi teicoici (ac. teicuronici) Esclusivi dei Gram+ Glicerolo+fosfato+ribitolo Ac. lipoteicoici (funzione di ancoraggio) Str. pyogenes, associata a proteina M con
funzione adesiva
Involucri esterni Gram-negativi Lipopolisaccaride (LPS)
LPS consiste di tre porzioni: lipidica, corta catena di zuccheri (core), lunga catena polisaccaridica
Lipide A (glicolipide) rappresenta l’endotossina Core: costante in differenti specie, acido chetodeossioctono + eptoso
catena laterale O: antigenicità (antigene O), affinità per Mg2+
Lipopolisaccaride (LPS) Caratteristiche
Prodotto soltanto dai Gram- Endotossina o Pirogeno
Endo- parte del batterio
(Eso – secreto nell’ambiente) Induce piressia (febbre)
Struttura Lipide A Polisaccaride
Antigene O di E. coli, Salmonella spp. 2,000 differenti O Ags of Salmonella 100’s differenti O Ags of E. coli
E. coli O157
Aspetto colonie: Mucoide = lisce (abbondante LPS o capsula)
Secco = Rugoso (scarso LPS o capsula)
Involucri esterni - Gram-negativi
Membrana esterna Doppio strato lipidico (7 nm):
Fosfolipidi Lipoproteine Lipopolisaccaridi (LPS) Proteine Porine
Spazio periplasmatico Materiale gelatinoso contenente enzimi per digestione e diffusione transmembrana dei nutrienti; enzimi
detossificanti
LPS (cont’d) Funzioni: Tossica; morte in topi, maiali, uomo Setticemia da Gram-; morte causata da LPS
Pirogeno; causa febbre Adiuvante; stimola l’immunità
Termo-resistente; difficile da rimuovere Rivelazione: Conigli (intensità febbre) Horse shoe crab (lisi di Amebociti in presenza di LPS)
Strutture extra-parietali Glicocalice:
Capsula Polisaccaridica Accumulo di materiale gelatinoso adeso alla parete cellulare Slime Polisaccaridica, proteica Glicocalice non organizzato Fortemente adeso alla parete cellulare
Strutture extra-parietali Glicocalice Funzioni: Antifagocitaria Colonizzazione superfici inerti (biofilm) Materiale biomedicale
protesi lenti a contatto cateteri
Superfici ambientali Rocce Serbatoi di raccolta Tubazioni
Strutture extra-parietali Flagelli Organizzazione: Monotrica Singolo flagello polare
Anfitrica Un flagello a ciascun polo
Lofotrica Due o più flagelli ad uno od entrambi i poli
Peritrica Numerosi flagelli distribuiti sull’intera superficie cellulare
Composizione: Filamento Struttura rigida, elicoidale flagellina Uncino Struttura flessibile Interposta tra filamento e corpo basale
Corpo basale Struttura bastoncellare dotata di anelli Conferisce movimento rotatorio al flagello
Filamento assiale (Spirochete) Flagello interno
Strutture extra-parietali Flagelli Funzioni: Locomozione Canale protonico (MotA, MotB) attraverso membrana citoplasmatica Motilità regolata da un gradiente pH Tipologia di motilità:
Rotazione antioraria: swimming Rotazione oraria: tumbling
Taxis (tassi) Movimento in risposta ad uno stimolo Chemiotassi (chimico) Fototassi (luminoso) Osmotassi (pressione osmotica) Erotassi (ossigeno) Termotassi (termico)
Strutture extra-parietali Pili (fimbriae) Composizione: Presenti solo nei Gram-negativi Sottili tubi proteici originati dalla membrana citoplasmatica Rivestimento proteico (pilina)
Tipologia: Pili di adesione Pili coniugativi (pili F) Funzioni:
Pili di adesione Colonizzazione superfici inerti Elusione risposta immune (modificazione struttura pili)
Pili coniugativi (pili F) Ricombinazione genica (coniugazione)