I PROCARIOTI

• I batteri sono stati osservati per la prima volta

dall’olandese Antonie van Leeuwenhoek alla fine del

1600

• Sono diffusi in tutti gli ambienti della biosfera e

vivono liberi o associati ad altri organismi

• Si suddividono in due domini (Woese 1977): Archea

(archeabatteri o archeobatteri) e Bacteria (eubatteri)

I procarioti (dal greco Pro- 'prima, davanti' e Karyon 'nucleo') sono organismi

unicellulari (o, al più, coloniali) di dimensioni dell'ordine del micrometro, privi di

membrana nucleare, organuli o altre suddivisioni interne, e il materiale contenuto

è disciolto nel nucleoide, mentre la parete esterna è per lo più formata da

peptidoglicani. I procarioti sono stati i primi organismi viventi della storia della

Terra sviluppatisi nelle acque.

LE CELLULE PROCARIOTI SONO MOLTO PIÙ PICCOLE DELLE CELLULE EUCARIOTI

Struttura

ØLa cellula procariota ha una struttura estremamente semplice. All'esterno, a ridosso della membrana citoplasmatica o plasmalemma,

si trova quasi sempre una parete, all'esterno di essa può essere presente un rivestimento esterno variabile come composizione e che

può essere indicato con nomi differenti (capsula, glicocalice, strato mucoso, ecc.), dalla cellula possono sporgere strutture quali flagelli

e pili.

ØLa membrana batterica è anche coinvolta nel processo di divisione cellulare, nella formazione del setto e nella segregazione dei

cromosomi nelle cellule figlie. Questo compito è svolto da una particolare struttura, detta mesosoma, che è una invaginazione della

membrana cellulare alla quale è attaccato il cromosoma.

ØAll'interno del plasmalemma, che può presentare invaginazioni più o meno approfondite, è localizzato il citoplasma, in cui si trovano

il nucleoide (ve ne possono essere anche più di uno), e altro materiale genetico costituito dai plasmidi, dai ribosomi, da corpiccioli di

vario tipo, enzimi, sostanze di riserva e diverse molecole (zuccheri, acidi organici e inorganici, nucleotidi, ioni ecc.).

Morfologia di un batterio fotosintetico visibile al TEM

MP: membrana plasmatica

PC: parete cellulare

N: nucleoide

VG: vacuolo gassoso

MF: membrana fotosintetica

R: Ribosomi

Struttura cellula procariota

-Cromosoma batterico: singola molecola di DNA circolare E.coli 4,6 milioni pb

-Plasmidi (piccole molecole di DNA ad anello che si riproducono in modo autonomo e senza connessioni con il DNA della cellula.)

-Granuli lipidici, di glicogeno, di composti fosforilati

-MesosomiPurves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

(invaginazioni della membrana citoplasmatica di notevoli dimensioni, di forma irregolare)

Rispetto alle cellule Eucariotiche

presentano le seguenti differenze:

1. Dimensioni minori: spessore 0,2-1,2 μm,

lunghezza 1-10 μm

2. Assenza di nucleo circondato da

membrana.

3. Limitato sviluppo di membrane interne

4. mancanza di tutti gli organuli membranosi

(nel citosol di una cellula procariotica sono

presenti i ribosomi,organuli non

membranosi formati da RNA e proteine)

Principali differenze fra cellule procariotiche e eucariotiche:

Cellula procariotica Cellula eucariotica

-Involucro nucleare

-Organuli citoplasmatici

-Capsula polisaccaridica

-Parete cellulare

Membrana cellulare

Doppio strato di fosfolipidi nel quale sono immerse

le proteine di membrana. Le proteine hanno

superfici altamente idrofobiche nelle zone di

attraversamento della membrana e superfici

idrofiliche a contatto con l’ambiente e con il

citoplasma.

La struttura della membrana è stabilizzata da cationi

(Mg2+ e Ca2+) che interagiscono con le cariche

negative dei fosfolipidi

La principale differenza tra la membrana plasmatica

degli eucarioti e quella dei procarioti è che nei primi

sono presenti gli steroli (es. colesterolo e fitosteroli),

mentre la maggior parte dei batteri presenta

molecole simili chiamate opanoidi.

In molti batteri, soprattutto Gram+, la membrana

plasmatica presenta delle invaginazioni, chiamate

mesosomi, che sono collegate con le attività di

divisione cellulare, respirazione,fotosintesi e

secrezione

I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIA

COCCHI BACILLI SPIRILLI

Morfologia

dei procarioti

- Cocchi, con forma sferica;

- Bacilli, con forma cilindrica;

- Vibrioni - spirilli: con forma

ricurva o a spirale;

-ed in base al modo in cui si

aggregano fra di loro:

- Diplococchi, disposti a due a due;

- Streptococchi, disposti in catenelle;

- Stafilococchi, disposti a grappolo

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Varie forme di batteri osservate con SEM

Cocchi Bacilli Spirilli

I batteri sono classificati sulla base della risposta alla colorazione di Gram

Gram +

Gram -

Parete Cellulare - il Peptidoglicano -

Lo strato rigido dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi ha una

composizione chimica molto simile: il peptidoglicano (o mureina) è

una sottile lamina costituita da due derivati polisaccaridici,

l’N-acetilglucosamina e l’acido N-acetilmuramico

mantiene la forma della cellula e la protegge

dall’esplosione per la pressione osmotica

Gram-positivi Gram-negativi

Parete cellulare

Pluristratificata dei

Gram-positivi

Spesso strato di peptidoglicano

(penicellina, scoperta da

Fleming, interferisce con la

sintesi della parete)

Monostratificata dei

Gram-negativi

Sottile strato di peptidoglicano

C, citoplasma; ME, membrana esterna; SP, spazio

periplasmatico; P o W, parete; MP, membrana plasmatica

Parete cellulare dei Batteri Gram+

spazio periplasmatico

con periplasma

spazio periplasmatico

con periplasma

Parete cellulare dei Batteri Gram-

Parete cellulare dei Batteri Gram+

Parete cellulare dei Batteri Gram-

Si pone nella piastra di coltura un colorante basico (idrofilo) (tra i più usati anche violetto di genziana o cristalvioletto e il

violetto di nicolle).

Passati i 3 min. si opera un lavaggio con liquido di Lugol (una soluzione di iodio e ioduro di potassio), che reagisce con il

colorante basico formando un composto liposolubile, che si lascia agire per circa 1 minuto.

Successivamente il materiale organico viene lavato con una soluzione decolorante (alcool etilico o simili) e infine con

acqua.

A questo punto: i batteri Gram + hanno trattenuto il colorante basico (viola), poiché l'alcool non ha danneggiato a

sufficienza la spessa parete cellulare (idrofila) che non permette al colorante di passare. mentre i Gram - sono grigiastri,

privi di colorazione, questo perché l'alcool ha sciolto i lipidi della membrana esterna e danneggiando la sottile parete

cellulare che non è più in grado di trattenere il complesso cristal violetto - ioduro (liposolubile).

Infine, per far risaltare meglio la differenza si colora quindi il materiale con un colorante di contrasto, in genere safranina

o fucsina (o eosina). La safranina colora le cellule in rosso e l'Eosina in rosa.

Queste sostanze possono penetrare solo in cellule decolorate poiché, anche se solo modestamente idrofile, sono in grado

di passare la parete cellulare grazie alle loro ridotte dimensioni. Dopo questo passo finale, i batteri Gram+ hanno colore

violetto, mentre i Gram- hanno color rosso o rosa o alcune volte giallastro.

Colorazione di Gram (1884)

Violetto di genziana, soluzione iodo-iodurata,decolorazione con alcool, eosina

Colorazione di Gram e struttura della parete

Nella colorazione di Gram un complesso insolubile di cristalvioletto-iodio si forma all’interno della cellula.

Nei Gram + la parete costituita da numerosi strati di peptidoglicano si disidrata in presenza dell’alcol e la porosità diminuisce, impedendo al complesso cristalvioletto-iodio di uscire

Nei Gram – l’alcol scioglie i lipidi della membrana esterna aumentando la porosità delle pareti e permettendo l’estrazione del complesso cristalvioletto-iodio; una volta decolorati possono essere colorati con la safranina

Sono Gram+ importanti generi batterici quali:Staphylococcus, Streptococcus, Bacillus, Clostridium,Lactobacillus, Corynebacterium, ecc.

Anche i Micobatteri Sono Gram+ (essi comprendonobatteri patogeni, come il batterio della tubercolosi equello della lebbra).

I Micobatteri contengono nella parete degli acidigrassi ramificati a lunga catena, gli acidi micolici,legati attraverso un carboidrato al peptidoglicano.La presenza di questi composti rende difficile lacolorazione di Gram, deve essere usata quindi unacolorazione particolare: colorazione di Ziehl-Neelsen

Il lipopolisaccaride di parete (LPS) nei batteri G–

L’LPS è una molecola composta, presente solo nelle cellule procariotiche.È composto da 3 parti: il LIPIDE A, il CORE e l’ANTIGENE O

Le molecole di LPS

hanno diverse funzioni:

favorire l’adesione a superfici, costituire una

barriera all’ingresso di sostanze tossiche come

antibiotici e sali biliari.

Nei Gram – patogeni il

polisaccaride O ha

funzione di antigene,

mentre il lipide A ha

azione tossica

(endotossina)

Lipopolisaccaride (LPS):

• scoperto più di 100 anni fa come endotossina(tossina associata albatterio) termostabile incontrasto a più note esotossine termolabili.

• la porzione lipidica dell’LPS è la tossina che haeffetto pirogenico e infiammatorio nei mammiferi.Quando viene rilasciata si lega a recettori cellularieucariotici presenti nei monociti e nei macrofagi einduce la secrezione di citochine infiammatorie

•Capsula: all'esterno della parete cellulare;

conferisce maggiore patogenicità;

•Flagelli o ciglia: sono appendici filiformi: movimento

della cellula.

•Pili o fimbrie: trasferimento di informazioni genetiche da

cellula a cellula

•Spore: forma di resistenza che consente al battere di

sopravvivere anche in un ambiente sfavorevole.

Strutture facoltative:

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

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ARCHEA

GLI ARCHEA SONO ANAEROBI OBBLIGATI E

VIVONO IN HABITAT ESTREMI

-assenza di peptidoglicano nella parete

-lipidi insoliti

-RNA polimerasi simile a quella degli Eucarioti

cellula primordiale

eubatteri

batteri cianobatteri eucariotiarcheobatteri

Woese

PROCARIOTI

Archeabatteri

1) METANOGENI (anaerobi obbligati)

2) ALOBATTERI

3) TERMOACIDOFILI (45-50 gradi, ambienti acidi)

I metanogeni prendono il nome dal loro peculiare metabolismo energetico, in cui

per ridurre l'anidride carbonica a metano, viene utilizzato l'idrogeno. Sono tra gli

organismi più strettamente anaerobi (vivono in assenza di ossigeno) e solitamente

vivono in paludi ed acquitrini dove gli altri microrganismi hanno consumato tutto

l'ossigeno disponibile. Esistono anche altre specie di metanogeni che abitano gli

ambienti anaerobi presenti all'interno del tratto intestinale degli animali, dove

giocano un importante ruolo nella nutrizione del bestiame, delle termiti e di altri

animali erbivori, la cui dieta è costituita soprattutto da cellulosa.

Gli alofili (dal greco hals, sale e philos, amico) vivono in habitat salini quali il

Grande Lago Salato degli Stati Uniti o il Mar Morto. Alcune specie si limitano a

tollerare un elevato grado di salinità, mentre altre per crescere richiedono la

presenza di un ambiente con una salinità 10 volte maggiore di quella dell'acqua

marina. Le colonie di alofili formano pellicole rosa il cui colore è dovuto alla presenza

di un pigmento fotosintetico detto batteriorodopsina.

I termoacidofili necessitano di habitat molto acidi e molto caldi, condizioni solitamente proibitive per quasi

tutti gli organismi. Le condizioni ottimali per questi archeobatteri sono temperature tra i 60-80 °C e valori di pH

compresi tra 2 e 4. Ad esempio Sulfobolus abita nelle calde acque delle sorgenti termali sulfuree del Parco di

Yellowstone, dove si procura l'energia ossidando lo zolfo presente in grandi quantità in queste sorgenti.

I BATTERI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DEL LORO METABOLISMO

A seconda del modo con il quale si procurano le due risorse fondamentali per la vita, l'energia ed il carbonio

(necessario per la sintesi dei composti organici), i batteri si dividono in autotrofi ed eterotrofi.

I procarioti autotrofi sono in grado di sintetizzare le molecole organiche a partire da molecole inorganiche,

come l’anidride carbonica. L’energia necessaria per alimentare queste sintesi può essere fornita dalla luce o

da altri composti chimici. I batteri che, come le piante, sfruttano l’energia solare sono detti fotoautotrofi,

mentre si dicono chemioautotrofi quelli che ricavano l’energia dalle reazioni chimiche. I batteri che hanno

bisogno di nutrirsi di molecole organiche già sintetizzate, come fanno tutti gli animali, si chiamano

eterotrofi. Questi batteri sono capaci di alimentarsi praticamente di tutto.

METABOLISMO

Batteri eterotrofi : saprofiti e parassiti

Batteri autotrofi: Fotosintetici (luce come energia) e

Chemiosintetici (ossidazione composti inorganici)

Batteri aerobi, anaerobi obbligati e anaerobi facoltativi

La decomposizione è più rapida in presenza di ossigeno. Se l'ossigeno è scarso, come nei sedimenti dei laghi o nei terreniimpregnati d'acqua, il processo di decomposizione rallenta. Ciò è dovuto al fatto che in queste condizioni solo i microrganismi anaerobi(attivi in assenza di ossigeno) contribuiscono al processo di decomposizione del materiale organico, mentre quelli aerobi (attivi in presenzadi ossigeno) muoiono. Tra i microrganismi anaerobi vi sono i batteri denitrificanti, solfato-riducenti e metanogeni, che ottengono energiarispettivamente da nitrati, solfati e anidride carbonica quasi nello stesso modo in cui i batteri aerobi la ottengono dall'ossigeno. Altrianaerobi si procurano, invece, l'energia attraverso la fermentazione dei composti organici. Se la concentrazione di ossigeno rimane bassamolto a lungo, la decomposizione può essere così lenta che la materia organica si accumula in grande quantità. Gli esempi più evidentisono le torbiere, in cui il materiale organico impregnato d'acqua può essere profondo molti metri. La compressione dei depositi delletorbiere, formatisi durante il periodo Carbonifero, è avvenuta nel corso di più ere geologiche, favorita da diversi fattori fisico-chimici, e haportato alla formazione del carbon fossile. I batteri metanogeni sono probabilmente responsabili della presenza di metano nei vastiaccumuli di gas naturale, generalmente associati agli strati di carbon fossile e sfruttati negli ultimi decenni come combustibile di largoimpiego.

Decompositori

Fissazione dell’azoto

Decomposizione (biologia)

Processo di degradazione di sostanze organiche come le piante e gli animali morti e i materiali di scarto. I processi didemolizione e decomposizione biologica hanno un importante ruolo ecologico, poiché in loro assenza la Terra sarebbericoperta da strati di vegetazione e di animali morti, nonché da escrementi e da altri rifiuti organici. Le reazioni didecomposizione biologica differiscono da quelle coinvolte nei processi di degradazione chimica, in cui i composti sidividono spontaneamente nelle loro parti costitutive. La decomposizione biologica contribuisce, inoltre, all'importanteprocesso ecologico del ciclo della materia. I composti inorganici presenti nella biosfera vengono, infatti, utilizzati dallepiante per sintetizzare sostanze nutritive organiche, che passano, attraverso la rete alimentare, nel corpo degli altriorganismi viventi. Quando questi ultimi producono materiale di scarto o muoiono, i composti presenti all'interno del lorocorpo vengono ridotti nuovamente a sostanze inorganiche dai processi di decomposizione e fanno ritorno nella biosfera,che viene così mantenuta in uno stato di equilibrio stazionario. Il ciclo della materia, anche noto come processo dimineralizzazione, è mediato quasi interamente da microrganismi e può essere favorito dal fuoco.

Organismi decompositori

Batteri e funghi sono i principali agenti responsabili della decomposizione della materia organica e, pertanto, vengonochiamati collettivamente organismi decompositori. Tra questi, gli organismi che proliferano sui resti di altri organismimorti sono detti saprofiti. Gli organismi viventi hanno, invece, meccanismi di difesa che li proteggono dall'attacco deidecompositori. Il ciclo della materia è, quindi, collegato alla durata della vita di ciascun organismo. La decomposizionemicrobica rappresenta la via principale attraverso la quale l'anidride carbonica, assorbita primariamente dalle piante nelcorso della fotosintesi, fa ritorno nell'atmosfera. Svolge, inoltre, un ruolo igienico-sanitario di primaria importanza nellosmaltimento dei liquami domestici. Le varie specie di decompositori sono generalmente specializzate ciascuna nelladegradazione di un gruppo di sostanze organiche specifiche, per le quali hanno sviluppato apposite reazionimetaboliche. Qualunque composto organico presente in natura può essere decomposto sia da singoli microrganismi, siada più specie differenti che agiscono in concerto. Alcuni costituenti organici delle piante sono più resistenti di altri alladecomposizione microbica e, pertanto, si accumulano nell'ambiente sotto forma di humus. L'humus rappresenta ilprincipale componente organico del suolo e contribuisce in modo importante alla fertilità del terreno, in quantofavorisce il drenaggio dell'acqua e la circolazione dell'ossigeno al suo interno.

Batteri ecologicamente importanti

In generale si possono distinguere due

grandi gruppi: i batteri liberi e i batteri

simbiontici (che vivono cioè in simbiosi

con altri organismi). Tra i batteri liberi,

per esempio, azotobacter, klebsiella,

clostridium, rhodospirillum. Tra i batteri

simbiontici, anabaena, nostoc,

citrobacter, oltre al gruppo dei rhizobium

che sono simbionti delle leguminose

(come soia, trifoglio, erba medica). Altre

ulteriori classificazioni possono

distinguere questi batteri in aerobici e

anaerobici.

La fissazione dell'azoto atmosferico o azotofissazione consiste nella riduzione, tramite la nitrogenasi, dell'azoto molecolare (N2) in

azoto ammonico (NH3). L'azoto ammonico è successivamente reso disponibile per molte importanti molecole biologiche quali gli

amminoacidi, le proteine, le vitamine e gli acidi nucleici attraverso i processi di nitrificazione e nitratazione.

La reazione di azotofissazione può essere descritta come segue:

N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 PiL'idrogeno impiegato in tale reazione deriva dall'ossidazione di carboidrati, dalla quale gli agenti azotofissatori ricavano anche l'energia

necessaria (sotto forma di ATP).

Batteri azotofissatori

ALTRI PROCESSI METABOLICI BATTERICI IMPORTANTI PER L’UOMO

- Trasformazione dello zucchero ad alcool (fermentazione alcoolica:vino, birra, liquori)

- Trasformazione dell’alcool ad acido (fermentazione acida: aceto,yoghurt)

- Decomposizione di molecole organiche (E. coli nell’intestino e utilizzatanel trattamento delle acque di scarico)

- Produzione di sostanze utili all’organismo (vitamine: batteriendosimbionti intestinali)

- Digestione della cellulosa (batteri endosimbionti intestinali)

- Fotosintesi (cianobatteri)

ALCUNI PROVOCANO MALATTIE:

- endotossine (lipopolisaccaride (LPS), che è presente nella membrana

esterna dei batteri Gram-negativi )

-esotossine (Difterica, tetanica)

Neurotossine: interferiscono con la normale trasmissione degli

impulsi nervosi.

Citotossine: aggrediscono enzimaticamente le cellule

dell'ospite, uccidendole.

Enterotossine: attraverso una stimolazione anormale sono

responsabili del funzionamento anomalo delle cellule

dell'apparato gastroenterico.

Batteri

Riproduzione asessuata

Scissione binaria (20 minuti)

Anche se la riproduzione sessuata

(fusione di gameti) non avviene nei

batteri,

si può avere scambio di materiale

genetico mediante:

Coniugazione (Pili)

Trasformazione

Trasduzione

PROCARIOTI

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Coniugazione

Meccanismo della coniugazione batterica:

1) La cellula F+ produce il pilo coniugativo

2) Il pilo coniugativo aggancia la cellula F- e le

due cellule si avvicinano

3) Il plasmide F viene tagliato e uno dei due

filamenti viene trasferito alla cellula F-

attraverso il pilo coniugativo

4) Entrambe le cellule sintetizzano il filamento

mancante del plasmide F e producono un pilo

coniugativo.

Crescita batterica: tempo di duplicazione

20’-30’