lezione 3

Strato S (S-layer)

• Si forma tramite l'assemblaggio di subunità proteiche sullo strato cellulare.
• Costituisce un reticolo cristallino di 5-25 nm con simmetria esagonale, quadrata o obliqua.
• È composto da proteine insolubili in acqua, debolmente acide e spesso legate a catene di glicani che sporgono nell'ambiente extracellulare.
• Le funzioni non sono chiare, ma costituisce una barriera protettiva, promuove l'adesione cellulare, mantiene la rigidità cellulare, e protegge dai meccanismi di difesa dell'ospite nei batteri patogeni.
• Può essere associato a diverse strutture dell'involucro esterno, come nei Gram positivi, Archaea, e Gram negativi.

Glicocalice

• Molti batteri rilasciano polisaccaridi che aderiscono alla superficie cellulare formando uno strato mucoso denominato glicocalice.
• Se ben strutturato e adeso alla parete cellulare, è definito capsula; altrimenti, è definito slime layer.
• Batteri con capsula hanno fenotipo mucoso, mentre quelli senza capsula hanno fenotipo rugoso.
• Ha funzioni di virulenza, protegge dalla fagocitosi, promuove l'adesione a superfici e la formazione di biofilm.

Motilità Batterica

• I batteri si muovono tramite strutture esterne o interne, come flagelli, pili, proteine del citoscheletro, vescicole gassose o magnetosomi.
• Esistono diversi tipi di tassie, come la chemiotassi (risposta a sostanze chimiche), fototassi (risposta alla luce), aerotassi (risposta all'ossigeno), magnetotassi (risposta a campi magnetici), pHtassi (risposta al pH), termotassi (risposta alla temperatura), e osmotassi (risposta alla concentrazione ionica).

Flagelli Batterici

• Sono lunghe appendici cave proteiche con diametro di 10-20 nm e lunghezza di 5-20 µm, caratterizzate da movimento rotatorio.
• Esempi di velocità: E. coli 25-30 μm/sec, Bdellovibrio bacteriovorus 160 µm/sec.
• Il flagello è costituito da:
• Corpo basale: ancora il flagello all'involucro cellulare e costituisce il motore flagellare, formato da anelli varianti tra Gram + e -.
• Uncino: breve struttura flessibile che connette il corpo basale al filamento.
• Filamento: struttura semirigida tubulare lunga 10 – 15 µm con diametro di 20 nm, composta da monomeri di flagellina.
• Nei batteri Gram negativi, il motore è costituito da subunità proteiche di FliG, M e N, con proteine non rotanti (MotA e MotB) che costituiscono lo statore.
• Nei batteri Gram positivi sono presenti 2 anelli, uno associato al peptidoglicano (P) e uno associato alla membrana plasmatica (M).
• Il movimento è impartito dalla rotazione del filamento.
  • Monotrichi: In senso antiorario il batterio avanza, in senso orario retrocede.
  • Peritrichi/Lofotrichi: In senso antiorario il batterio avanza (corsa), in senso orario il fascio di flagelli si apre determinando capovolgimenti casuali.
• La sintesi è regolata da 60 geni e 3 operoni. L'operone I (flhDC) forma un complesso eteromultimerico che attiva l'espressione dei geni degli operoni di classe II.
• Molecole di flagellina sintetizzate nel citoplasma passano attraverso il canale nel filamento e si aggiungono alla parte terminale (autoassemblaggio).
• La forza proton motrice impartisce movimento rotatorio alla proteina FliG, trasmettendo la forza rotatoria.
• I flagelli batterici si muovono grazie alla forza proton motrice, mentre quelli degli Archaea grazie all'ATP.
• Nei batteri, ogni filamento flagellare ruota indipendentemente, mentre negli Archaea il flagello è composto da pacchetti di filamenti che ruotano come se fossero assemblati insieme.
• Nei batteri, i flagelli crescono mediante aggiunta di monomeri di flagellina all'apice, mentre negli Archaea crescono per aggiunta alla base.
• I flagelli batterici sono più spessi di quelli degli Archaea.

Endoflagelli nelle Spirochete

• Le spirochete hanno flagelli periplasmatici (filamenti assiali) che conferiscono una forma elicoidale.
• La rotazione dei filamenti flagellari induce la rotazione e la deformazione dinamica della cellula, spingendo il batterio attraverso il fluido.
• Nelle spirochete rigide (Treponema) la rotazione dei flagelli induce movimento a spirale, mentre nelle spirochete flessibili (Borrelia) induce curvatura e movimento a spirale.

Chemotassi

• Processo migratorio innescato da un gradiente chimico di concentrazione.
• La cellula misura a tempi diversi la concentrazione della sostanza nello spazio e trasduce il segnale al motore del flagello.
• L'aumento della concentrazione della sostanza attraente diminuisce la probabilità di compiere una capriola, allungando il percorso lineare medio.
• La riduzione della concentrazione aumenta la probabilità di fare una capriola, riducendo la lunghezza media del percorso.
• Se sono presenti sia sostanze attraenti che repellenti, il batterio risponde alla sostanza con la concentrazione maggiore.
• I sensori delle sostanze chimiche sono detti chemorecettori (proteine metil accettrici, MCP).
• In E. coli sono state identificate 5 differenti MCP, proteine transmembranarie che rilevano una varietà di composti.
• Il trasduttore Tar in E. coli percepisce come attraenti sia l'aspartato che il maltosio e come repellenti metalli pesanti come cobalto e nichel.

Pili e Fimbrie

• Sono corte appendici non flagellari coinvolte in adesione, interazione tra cellule, secrezione, formazione di biofilm, coniugazione e movimento.
• Alcune proteine (adesine) si trovano all'estremo libero delle fimbrie e conferiscono capacità di legarsi a substrati peculiari.
• I pili sono strutture di 5-9 nm di diametro e 1-4 µm di lunghezza che si estendono ai poli delle cellule.
• L'estensione e la retrazione del pilo, via PilT e PilB, sono alla base del movimento contrattile (Twiching motility) e della motilità per scivolamento (gliding motility).
• Molti procarioti sono mobili anche in assenza di flagelli, muovendosi attraverso una superficie solida mediante scivolamento.

Protoplasto

• È l'insieme di citoplasma + membrana plasmatica + nucleoide + corpi inclusione.

Citoplasma

• Composto per l'80% da acqua, proteine, aminoacidi, acidi nucleici, zuccheri e grassi.
• La struttura granulare è data dall'alta concentrazione di ribosomi (20.000-200.000 in E. coli, variabile in base alla fase di crescita).

Nucleoide

• Materiale genetico (cromosoma + plasmidi) tipicamente non compartimentalizzato.
• L'eccezione è Gemmata obscuriglobus: procariota con la regione contenente il DNA circondata da una membrana.

Ribosomi

• Strutture ribonucleoproteiche (15-20 nm) coinvolte nella sintesi proteica.
• Possono essere citoplasmatici o legati alla membrana plasmatica.

Corpi di Inclusione

• Depositi di sostanze di riserva.
• Accumulate in presenza di nutrienti e consumate in carenza.

Vescicole Gassose

• Costituite da due proteine: GvpA (idrofoba, forma nastri paralleli) e GvpC (aderisce tenendo insieme più nastri).
• Racchiudono uno spazio cavo e garantiscono il galleggiamento della cellula microbica, determinando il livello ideale per lo sviluppo in base a luce, O₂, e nutrienti.

Magnetosomi

• Particelle cristalline intracellulari di ossido di Fe (magnetite Fe₃O₄).
• Creano un dipolo magnetico permanente e rendono la cellula capace di rispondere a un campo magnetico.

Microcomparti Cellulari

• Carbossisomi: contengono l'enzima ribulosio 1,5-difosfato carbossilasi (RuBiSco) per fissare la CO₂ nei batteri autotrofi.
• Granuli di cianoficina: polipeptidi contenenti alte quantità di arginina ed acido aspartico (riserva di azoto).
• Clorosomi: presenti nei batteri verdi fotosintetici, contengono batterioclorofille C, D, E per captare l'energia luminosa.

Endospore

• Alcune cellule batteriche formano spore resistenti a condizioni di stress.
• Esospore: formate dal micelio aereo degli attinomiceti, permettono la colonizzazione di nuovi habitat.
• Endospore: resistenti ad agenti chimici e fisici, non necessitano di acqua e nutrienti e persistono in quiescenza.

Sporulazione

• Indotta alla fine della fase esponenziale, quando le condizioni peggiorano.
• Percepita dalla cellula tramite un sistema a più componenti che attiva un fattore trascrizionale (SpoOA) e induce la sporulazione.
• Il DNA si replica e la cellula si divide in due compartimenti: cellula madre e prespora.
• Il peptidoglicano nella zona del setto asimmetrico si degrada, il compartimento presporale si ingrossa e la membrana plasmatica della cellula madre si invagina.
• Processo di sintesi di uno strato di corteccia (peptidoglicano modificato), acido dipicolinico e proteine acide (SASP).
• Dopo avere generato l'endospora, avviene la lisi della cellula madre e il rilascio della spora.
• Le endospore mature hanno dimensioni di 0.5-1 µm e contengono il citoplasma disidratato, RNA, DNA genomico, SASP e dipicolinato di Ca.

Germinazione

• Le spore, metabolicamente inerti, mantengono attivi sistemi di ricezione del segnale.
• Consentono di rispondere a segnali ambientali favorevoli per germinare in una nuova cellula vegetativa tramite una serie di fasi: idratazione, degradazione della corteccia, degradazione delle proteine SASP, e degradazione della tunica sporale.