I PROCARIOTI. I batteri sono stati osservati per la prima volta dall olandese Antonie van Leeuwenhoek alla fine del 1600

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1 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)

2 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.

3 LE CELLULE PROCARIOTI SONO MOLTO PIÙ PICCOLE DELLE CELLULE EUCARIOTI

4 Struttura La 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. La 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. All'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.).

5 Morfologia di un batterio fotosintetico visibile al TEM MP: membrana plasmatica PC: parete cellulare N: nucleoide VG: vacuolo gassoso MF: membrana fotosintetica R: Ribosomi

6 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 -Mesosomi (invaginazioni della membrana citoplasmatica di notevoli dimensioni, di forma irregolare) Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

7 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)

8 Principali differenze fra cellule procariotiche e eucariotiche: Cellula procariotica Cellula eucariotica -Involucro nucleare -Organuli citoplasmatici -Capsula polisaccaridica -Parete cellulare

9 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 (Mg 2+ e Ca 2+ ) che interagiscono con le cariche negative dei fosfolipidi

10 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

11 I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIA COCCHI BACILLI SPIRILLI

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

13 Varie forme di batteri osservate con SEM Cocchi Bacilli Spirilli

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

15 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

16 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

17 Parete cellulare dei Batteri Gram+ spazio periplasmatico con periplasma

18 Parete cellulare dei Batteri Gram- spazio periplasmatico con periplasma

19 Parete cellulare dei Batteri Gram+

20 Parete cellulare dei Batteri Gram-

21 Colorazione di Gram (1884) Violetto di genziana, soluzione iodo-iodurata,decolorazione con alcool, eosina 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.

22 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

23 Sono Gram+ importanti generi batterici quali: Staphylococcus, Streptococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Corynebacterium, ecc. Anche i Micobatteri Sono Gram+ (essi comprendono batteri patogeni, come il batterio della tubercolosi e quello della lebbra). I Micobatteri contengono nella parete degli acidi grassi ramificati a lunga catena, gli acidi micolici, legati attraverso un carboidrato al peptidoglicano. La presenza di questi composti rende difficile la colorazione di Gram, deve essere usata quindi una colorazione particolare: colorazione di Ziehl-Neelsen

24 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

25 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)

26 Lipopolisaccaride (LPS): scoperto più di 100 anni fa come endotossina (tossina associata albatterio) termostabile in contrasto a più note esotossine termolabili. la porzione lipidica dell LPS è la tossina che ha effetto pirogenico e infiammatorio nei mammiferi. Quando viene rilasciata si lega a recettori cellulari eucariotici presenti nei monociti e nei macrofagi e induce la secrezione di citochine infiammatorie

27 Strutture facoltative: 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. Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

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

29 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

30 eubatteri PROCARIOTI archeobatteri batteri cianobatteri eucarioti Woese cellula primordiale

31 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 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.

32 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.

33 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 terreni impregnati 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 presenza di ossigeno) muoiono. Tra i microrganismi anaerobi vi sono i batteri denitrificanti, solfato-riducenti e metanogeni, che ottengono energia rispettivamente da nitrati, solfati e anidride carbonica quasi nello stesso modo in cui i batteri aerobi la ottengono dall'ossigeno. Altri anaerobi si procurano, invece, l'energia attraverso la fermentazione dei composti organici. Se la concentrazione di ossigeno rimane bassa molto a lungo, la decomposizione può essere così lenta che la materia organica si accumula in grande quantità. Gli esempi più evidenti sono le torbiere, in cui il materiale organico impregnato d'acqua può essere profondo molti metri. La compressione dei depositi delle torbiere, formatisi durante il periodo Carbonifero, è avvenuta nel corso di più ere geologiche, favorita da diversi fattori fisico-chimici, e ha portato alla formazione del carbon fossile. I batteri metanogeni sono probabilmente responsabili della presenza di metano nei vasti accumuli di gas naturale, generalmente associati agli strati di carbon fossile e sfruttati negli ultimi decenni come combustibile di largo impiego.

34 Decompositori Fissazione dell azoto Batteri ecologicamente importanti Decomposizione (biologia) Processo di degradazione di sostanze organiche come le piante e gli animali morti e i materiali di scarto. I processi di demolizione e decomposizione biologica hanno un importante ruolo ecologico, poiché in loro assenza la Terra sarebbe ricoperta da strati di vegetazione e di animali morti, nonché da escrementi e da altri rifiuti organici. Le reazioni di decomposizione biologica differiscono da quelle coinvolte nei processi di degradazione chimica, in cui i composti si dividono spontaneamente nelle loro parti costitutive. La decomposizione biologica contribuisce, inoltre, all'importante processo ecologico del ciclo della materia. I composti inorganici presenti nella biosfera vengono, infatti, utilizzati dalle piante per sintetizzare sostanze nutritive organiche, che passano, attraverso la rete alimentare, nel corpo degli altri organismi viventi. Quando questi ultimi producono materiale di scarto o muoiono, i composti presenti all'interno del loro corpo 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 di mineralizzazione, 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, vengono chiamati collettivamente organismi decompositori. Tra questi, gli organismi che proliferano sui resti di altri organismi morti sono detti saprofiti. Gli organismi viventi hanno, invece, meccanismi di difesa che li proteggono dall'attacco dei decompositori. Il ciclo della materia è, quindi, collegato alla durata della vita di ciascun organismo. La decomposizione microbica rappresenta la via principale attraverso la quale l'anidride carbonica, assorbita primariamente dalle piante nel corso della fotosintesi, fa ritorno nell'atmosfera. Svolge, inoltre, un ruolo igienico-sanitario di primaria importanza nello smaltimento dei liquami domestici. Le varie specie di decompositori sono generalmente specializzate ciascuna nella degradazione di un gruppo di sostanze organiche specifiche, per le quali hanno sviluppato apposite reazioni metaboliche. Qualunque composto organico presente in natura può essere decomposto sia da singoli microrganismi, sia da più specie differenti che agiscono in concerto. Alcuni costituenti organici delle piante sono più resistenti di altri alla decomposizione microbica e, pertanto, si accumulano nell'ambiente sotto forma di humus. L'humus rappresenta il principale componente organico del suolo e contribuisce in modo importante alla fertilità del terreno, in quanto favorisce il drenaggio dell'acqua e la circolazione dell'ossigeno al suo interno.

35 Batteri azotofissatori La fissazione dell'azoto atmosferico o azotofissazione consiste nella riduzione, tramite la nitrogenasi, dell'azoto molecolare (N 2 ) in azoto ammonico (NH 3 ). 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: N 2 + 8H + + 8e ATP 2NH 3 + H ADP + 16 P i L'idrogeno impiegato in tale reazione deriva dall'ossidazione di carboidrati, dalla quale gli agenti azotofissatori ricavano anche l'energia necessaria (sotto forma di ATP). 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.

36 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 utilizzata nel trattamento delle acque di scarico) - Produzione di sostanze utili all organismo (vitamine: batteri endosimbionti intestinali) - Digestione della cellulosa (batteri endosimbionti intestinali) - Fotosintesi (cianobatteri)

37 Batteri 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.

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

39 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.

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42 Crescita batterica: tempo di duplicazione 20-30