La parete cellulare di Saccharomyces cerevisiae

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Nicoletta Serafini
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La parete cellulare di Saccharomyces cerevisiae Spessore 100200 nm 1525% della massa secca nei lieviti la composizione della parete è distintiva delle specie 1 La parete cellulare di S.

La chitina è presente in percentuali maggiori nei lieviti filamentosi (Candida albicans) mentre in altre specie è del tutto assente.

gemmazione Le mannoproteine rappresentano la parte superficiale della parete. Esse presentano dei legami crociati mediati da interazioni idrofobiche e/o da ponti disolfuro.

1 La parete cellulare di Saccharomyces cerevisiae Spessore nm 1525% della massa secca nei lieviti la composizione della parete è distintiva delle specie 1 La parete cellulare di S. cerevisiae 8090% polisaccaridi (glucani e mannani anche ramificati) organizzati in un network di microfibrille 4% chitina (polimero di Nacetilglucosammina). La chitina è presente in percentuali maggiori nei lieviti filamentosi (Candida albicans) mentre in altre specie è del tutto assente. In Saccharomyces cerevisiae la chitina svolge diverse funzioni: i) recettore di tossine killer, ii) mantenimento dell integrità osmotica e morfologica, iii) costituente principale delle cicatrici di gemmazione Le mannoproteine rappresentano la parte superficiale della parete. Esse presentano dei legami crociati mediati da interazioni idrofobiche e/o da ponti disolfuro. Le mannoproteine sono inoltre legate alle microfibrille di glucano mediante legami covalenti La composizione della parete di S. cerevisiae influenza le caratteristiche di flocculazione e flottazione dei diversi ceppi utilizzati nelle fermentazioni alcoliche. Sulla base di questa caratteristica i lieviti si dividono in bottom yeast e top yeast La Flocculazione è legata alle glicoproteine di superficie e alla carica elettrostatica superficiale (bottom yeast) La Flottazione è legata alle caratteristiche di idrofobicità di superficie e in particolare alla capacità di intrappolare la CO 2 determinando il galleggiamento delle cellule (top yeast) 2

2 Struttura e sintesi della parete cellulare in Saccharomyces cerevisiae 3 argomento propedeutico alle esercitazioni di laboratorio La crescita microbica 4

3 Le esigenze nutrizionali dei microrganismi (fonti nutritive) Le fonti di carbonio: usate dalla cellula per costruire le proprie molecole organiche fonti inorganiche AUTOTROFI (CO 2 ; HCO 3 ; CO 3 ) fonti organiche ETEROTROFI (le più comuni fonti sono carboidrati come il glucosio) Per es. E. coli o Oenococcus oeni Le fonti di azoto: usate per costruire aminoacidi (proteine) e basi azotate (nucleotidi e acidi nucleici) Inorganiche Organiche (N 2 ; NH 4+ ; NO 3 ; NO ) (le più comuni sono aminoacidi, peptidi, proteine) Rispetto all AZOTO si distinguono: batteri AZOTOFISSATORI: da N 2 a NH 4+ (Azotobacter e Rhizobium) batteri NITROSANTI: NH 4+ NO (Nitrosomonas, Nitrospira e Nitrosococcus) batteri NITRIFICANTI: NO NO 3 (Nitrobacter spp., Nitrospina e Nitrococcus) Le fonti di fosforo: usate per costruire i nucleotidi (ATP, ADP, AMP, acidi nucleici) Le fonti principali sono di tipo inorganico: PO 3 4 ; HPO 4 ; H 2 PO 4 Le fonti di zolfo: usate per costruire i composti solforati (cisteina, metionina) Le fonti principali sono di tipo organico DA RICORDARE! Le vitamine, i fattori di crescita e i sali minerali: variano molto a seconda della specie batterica; non possono essere sintetizzati dalla cellula e devono essere assunti come tali. Comprendono, ad esempio, alcune BASI AZOTATE, COMPLESSI VITAMINICI, SOSTANZE AROMATICHE ETEROCICLICHE 5 Le esigenze energetiche dei microrganismi Energia solare FOTOTROFI CHEMIOLITOTROFI (traggono energia da un composto inorganico) Energia chimica CHEMIOTROFI I microrganismi sono dunque classificati in 4 differenti TIPI FISIOLOGICI, in base alle fonti di carbonio ed energia: Tipo fisiologico Fonte di C Fonte di energia Fotoautotrofo C inorganico (CO 2 ; HCO 3 ; CO 3 ) Luce solare Fotoeterotrofo C organico Luce solare Chemioautotrofo C inorganico (CO 2 ; HCO 3 ; CO 3 ) Reazione chimica Chemioeterotrofo C organico Reazione chimica CHEMIORGANOTROFI (traggono energia da un composto organico) Sono gli organismi nutrizionalmente più esigenti; necessitano di sostanze complesse come quelle oganiche e di energia proveniente da reazioni di ossidoriduzione (per gli ORGANOtrofi degradazione di materiali organici) I microrganismi di cui maggiormente ci occuperemo (poiché rivestono il ruolo più importante in ambito alimentare ed enologico) sono CHEMIO ORGANOETEROTROFI (Saccharomyces cerevisiae, i batteri acetici, i batteri lattici, E. coli e tutti le altre Enterobacteriaceae, Bacillus sp., etc.) 6

4 CLT Il metabolismo energetico di alcuni batteri Per definire il metabolismo energetico di una cellula è necessario individuare un donatore di elettroni e un accettore ultimo di elettroni chemiolitotrofo Batterio Thiobacillus denitrificans Gram Donatore di e (molecola ridotta che viene ossidata) Accettore di e (molecola ossidata che viene ridotta) In questo contesto, ha lo stesso significato di «fonte di energia» Prodotti finali H 2 NO 3 N 2 CLT Bacillus sp.* + S NO 3 N 2 + SO 4 COT CLT COT CLT COT Pseudomonas sp. sostanza organica NO 3, NO 2 N 2 + (CO 2 ) Desulfovibrio sp. H 2 SO 4, S 2 O 3, S H 2 S chemiorganotrofo Clostridium sp. + sostanza organica SO 4 H 2 S + acetato Metano batteri (metanogeni) Archea H 2 sostanza organica CO 2 CO 2 CH 4 CH 4 + CO 2 * I Bacillus sono generalmente anaerobi facoltativi (cioè respirano, ma in assenza di ossigeno operano una respirazione anaerobica); in questa tabella è mostrato un esempio di respirazione anaerobica operata da alcuni membri del genere Bacillus. 7 Vari gruppi fisiologici di chemiolitoautotrofi Gruppo fisiologico Fonte di energia Prodotti finali ossidati Organismo Idrogenobatteri H 2 H 2 O Alcaligenes, Pseudomonas Metanogeni H 2 H 2 O Methanobacterium Carbossidobatteri CO CO 2 Rhodospirillum, Azotobacter Batteri nitrosanti NH 3 NO 2 Nitrosomonas Batteri nitrificanti NO 2 NO 3 Nitrobacter Batteri solfossidanti H 2 S or S SO 4 Thiobacillus, Sulfolobus Ferrobatteri Fe ++ Fe +++ Gallionella, Thiobacillus 8

Le esigenze chimiche e fisiche ambientali 1 Il ph del mezzo di coltura: è un fattore chimico fondamentale; ha un range e un optimum variabili a seconda del microrganismo Microrganismo Range di ph ph

5 Le esigenze chimiche e fisiche ambientali 1 Il ph del mezzo di coltura: è un fattore chimico fondamentale; ha un range e un optimum variabili a seconda del microrganismo Microrganismo Range di ph ph ottimale Escherichia coli 4,0 9,0 7,2 Acetobacter aceti 4,0 8,0 5,8 Thiobacillus thiooxidans 1,0 6,0 3,0 Lactobacillus acidophilus 4,0 7,0 5,8 6,6 In base alla capacità di crescere a uno specifico ph si distinguono: Acidofili Neutrofili Alcalofili 9 2 La temperatura di crescita: ogni microrganismo può crescere solo in uno specifico range di temperature; in base ad esso si distinguono: psicrofili (20 C) mesofili (1040 C) termofili (4080 C) ipertermofili (65 >90 C) In base alla capacità di sopravvivenza ad uno specifico range di temperature, si distinguono: batteri psicrotrofi (capacità di resistere a basse temperature) e termodurici o termoresistenti (capacità di resistere ad alte temperature ed in particolare alla pastorizzazione {63 C per 30 min}) Cosa succede alle alte temperature: si riduce la stabilità dei ribosomi si denaturano le proteine Cosa succede alle basse temperature: attività enzimatica ridotta si riduce l attività dell acqua (Aw) le membrane cellulari sono meno fluide 10

Temperatura di crescita per alcuni Archea ipertermofili Genere

Desulfurococcus 60 85 93 Methanothermus 60 83 88 Pyrodictium 82

In base al ruolo che l O 2 ha nella fisiologia di un

facoltativi, d) aerotolleranti e) microaerofili Escherichia coli

6 Temperatura di crescita per alcuni Archea ipertermofili Genere Minimum ( C) Optimum ( C) Maximum ( C) Sulfolobus Desulfurococcus Methanothermus Pyrodictium Methanopyrus La tensione di ossigeno. In base al ruolo che l O 2 ha nella fisiologia di un microrganismo, si distinguono: a) aerobi, b) anaerobi, c) anaerobi facoltativi, d) aerotolleranti e) microaerofili Escherichia coli Helicobacter pylori Streptococcus thermophilus Gluconobacter oxydans Bifidobacterium animalis 12

L O 2 è indispensabile agli aerobi quale ultimo accettore di elettroni nella respirazione tuttavia negli ambienti aerobi sono presenti le SPECIE TOSSICHE DELL O 2 Anione superossido Perossido d

7 L O 2 è indispensabile agli aerobi quale ultimo accettore di elettroni nella respirazione tuttavia negli ambienti aerobi sono presenti le SPECIE TOSSICHE DELL O 2 Anione superossido Perossido d idrogeno (acqua ossigenata) Radicale idrossile si forma per effetto delle radiazioni ionizzanti e la cellula non ha difese specifiche per esso Gli enzimi che permettono di difendersi dalle specie tossiche dell O 2 O 2 superossidodismutasi SUPEROSSIDO DISMUTASI O + O + 2H + H 2 O 2 + O 2 CATALASI catalasi H 2 O 2 + H 2 O 2 2H 2 O + O 2 PEROSSIDASI H 2 O 2 + NADH + H + 2H 2 O + NAD + 13 Presenza di superossidodismutasi,catalasi e perossidasi in diversi gruppi di procarioti Aerobi obbligati e Anaerobi facoltativi Superossidodismutasi Catalasi Perossidasi + + Aerotolleranti + + Anaerobi obbligati 14

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