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: H 2 O (80%) Acidi nucleici (DNA, RNA) Enzimi Aminoacidi Carboidrati Lipidi Ioni organici Composti a basso peso molecolare La frazione liquida del citoplasma è chiamatacitosol Cellula eucariotica (mouse L-cell) Cellula procariotica (Bacillus megaterium) citosol
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 Peptidoglicano Gram-Negativi Peptidoglicano Membrana plasmatica Membrana Periplasma Membrana esterna
Gram positive bacteria Gram negative bacteria
Parete cellulare - Peptidoglicano
Parete cellulare - Gram-positivi
Gram-Negative Peptidoglycan (Direct Interbridge) G M G Glycan Backbone Peptides G M G Escherichia coli Peptidoglycan
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 Mg 2+
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) 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) 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
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 Antifagocitaria Colonizzazione superfici inerti (biofilm) Materiale biomedicale protesi lenti a contatto cateteri Superfici ambientali Rocce Serbatoi di raccolta Tubazioni Funzioni:
Strutture extra-parietali Flagelli 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 Organizzazione: 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)