I FLAGELLI NEI BATTERI

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1 Prof. Giorgio Sartor Motori molecolari V Flagello batterico Copyright by Giorgio Sartor. All rights reserved. M09 - Versione 1.7 oct 2015 I FLAGELLI NEI BATTERI Un diverso movimento Un diverso carburante Schienenzeppelin( )

2 Per muoversi in un liquido Alcuni batteri possiedo un sistema estremamente sofisticato per muoversi in acqua: I flagelli Non c è nulla di simile in cellule più complesse. Il flagello agisce come un elica che ruota. v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 3- v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 4-

3 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 5- I flagelli Usati per il movimento di batteri in ambiente acquatico Permettono il movimento in risposta ad uno stimolo ambientale: Chimico (chemotassi) Luminoso (fototassi) Calore (termotassi) Campo magnetico (magnetotassi) ( tassi) v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 6-

4 Modello concettuale v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 7- Modello concettuale e realtà v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 8-

5 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari - 9- v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

6 Flagello batterico È il motore più piccolo e più complesso Ha un diametro di 30 nm; Ruota a 270 RPS (16200 RPM); Efficienza energetica vicina al 100%; Fa ruotare il filamento attraverso una serie di anelli; Può ruotare in senso orario o antiorario Una proteina(e) alla base del motore gestisce il senso di rotazione Prototipo per la nanotecnologia: v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Come funziona? La rotazione antioraria del flagello genera un movimento rettilineo senza cambio di di direzione; Una rotazione lenta in senso orario genera un rotolamento del batterio e cambia la direzione del movimento. v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

7 Sentendo l ambiente v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

8 Il movimento simulato v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Movimento rettilineo Rotolamento v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

9 Varietà di flagelli A. Un singolo flagello ad una estremità della cellula batterica (monotrichous); B. Vari flagelli ad una o all altra estremità della cellula batterica (lophotrichous); C. Un singolo flagello ad ogni estremità della cellula (amphitrichous); D. Vari flagelli sono distribuiti sull intera superficie della cellula batterica (peritrichous). v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

10 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

11 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Struttura del flagello per flagello v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

12 Dominio D3 β-sheet Flagellina Dominio D1 Tre α-eliche e una struttura β-hairpin Dominio D2 β-sheet 1io1 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Flagellina 3a5x v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

13 Flagellina 1ucu v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Filamento di flagellina v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

14 Filamento di flagellina v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Assemblaggio della flagellina v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

15 Movimento molecolare io1 1ucu v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Assemblaggio della flagellina v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

16 Assemblaggio della flagellina v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Movimento del propulsore v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

17 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Struttura dell uncino L uncino del flagello è una corta struttura tubulare che connette il motore rotativo con il flagello; La flessibilità dell uncino gli permette di funzionare come un giunto. 1wlg 3a69 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

18 Struttura dell uncino L uncino del flagello è una corta struttura tubulare che connette il motore rotativo con il flagello; La flessibilità dell uncino gli permette di funzionare come un giunto. v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

19 Uncino v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Il carburante

20 Rotore v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Il carburante v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

21 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

22 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Dominio C-terminale MotB (Helicobacter pylori) 3imp v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

23 Scheda tecnica del motore Forza propulsiva Numero di protoni per giro Energia per protone Massima velocità di rotazione Momento torcente in stallo Potenza massima Efficienza Numero di passi per giro Gradiente elettrochimico (H + o Na + ) ~ 1000 ~ 2.5 x J 300 Hz (H + ) 1700 Hz (Na + ) ~ 4 x Nm (4 nn nm) ~ W % (stallo) ~ 5% (cellula che nuota) ~ 50 per rotazione (35 ) v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Direzione

24 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Chemotassi v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

25 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Movimento rettilineo Rotolamento v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

26 Chemotassi Frequenza di rotazione v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

27 Percorso v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

28 Stimolo - Risposta Stimolo ambientale Recettore del segnale Sensore (Kinasi) Fosforilazione Regolatore della risposta (RR) Risposta v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Meccanismo della chemotassi Membrana CheB - CH 3 P i P i CheA P i CheY P i Motore flagellare MCP CheW CheY + CH 3 CheR CheA CheZ Parete cellulare MCP: methyl-accepting chemotaxis proteins v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

29 Via del segnale chemotassico in E. coli e Salmonella Proteine MCP: Recettore CheA: Histidine protein-kinase (HPK) CheY: Regolatore di risposta (CheY P ) CheZ: Fosfatasi CheW: facilita l interazione MCP e HPK CheB: metilesterasi per MCP CheR: metiltransferasi per MCP v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Via del segnale chemotassico in E. coli e Salmonella v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

30 MCP (Methyl accepting Chemotaxis Proteins) v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari OM Repellenti CM MCP Chemotassi a due componenti Attivazione della kinasi ATP ADP CheW CheA CheY P P Eccitazione Rotazione CM M OM CW OM CM Attrattori MCP Inibizione della kinasi CheW CheA CheY CM M OM CCW Movimento rettilineo v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Macnab R. M. Annu. Rev. Microbiol

31 Parkinson et al., Curr. Opin. Microbiol v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Differenti recettori Raccolti ai poli della cellula v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

32 v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari CheY::YFP v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

33 Underbakke & Kiessling, EMBO J v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Adattamento via metilazione del recettore OM CM CheR CM OM +CH3 -CH3 ATP ADP CheW CheA P CheY P CheZ M P CheB P v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

34 Attivazione sequenziale e adattamento (via metilazione) di un chemocettore Il ligando attrattore si lega e diminuisce l attività del recettore ed espone i di metilazione per l azione della metiltransferasi La lenta metilazione dei siti esposti ripristina l attività del recettore v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari Per finire

35 ENZIMI EC x Acting on acid anhydrides to facilitate cellular and subcellular movement EC myosin ATPase EC dynein ATPase EC microtubule-severing ATPase EC plus-end-directed kinesin ATPase EC minus-end-directed kinesin ATPase EC vesicle-fusing ATPase EC peroxisome-assembly ATPase EC proteasome ATPase EC chaperonin ATPase EC non-chaperonin molecular chaperone ATPase EC nucleoplasmin ATPase EC DNA helicase EC RNA helicase v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

36 Motori molecolari ~ 10 mm ~ mm ~ 100 nm ~ 10 nm v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari

37 Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CHAMPE Pamela, HARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN ] Zanichelli NELSON David L., COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER -Zanichelli GARRETT ReginaldH., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VOET Donald, VOET Judith G, PRATT Charlotte W FONDAMENTI DIBIOCHIMICA [ISBN ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: Protein Data Bank: Rensselaer Polytechnic Institute: Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: oppure da gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - giorgio.sartor@unibo.it v. 1.7 gsartor 2015 Motori molecolari