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)