Microbiologia PDF - Storia e Nozioni di Base

Microbiologia Storia e nozioni di base 18.09.2024 Scoperta dei microrganismi: prime osservazioni microscopiche - Francesco Stelluti: osserva particolari di api e piante (1625-1630) - Robert Hooke: osservazione del fungo del Mucor (muffe) al...

Microbiologia Storia e nozioni di base 18.09.2024 Scoperta dei microrganismi: prime osservazioni microscopiche - Francesco Stelluti: osserva particolari di api e piante (1625-1630) - Robert Hooke: osservazione del fungo del Mucor (muffe) al microscopio (1665) - Antony van Leeuwenhoek: il primo a osservare accuratamente i microrganismi (1632- 1723). Era un mercante tessile olandese, costruisce un microscopio e osserva dei piccoli organismi che nuotano. Scrive alla Royal society di questa scoperta (1675). Conflitto sulla generazione spontanea: - Francesco Redi (1626-1697): esperimento della carne scredita tale teoria e scopre che i vermi sulla carne in decomposizione provengono da uova di mosca. - John Needham (1713-1781): basandosi sull'osservazione che il fieno bollito dava origine a microrganismi, ha affermato che alcuni estratti hanno le caratteristiche necessarie per conferire la vita da materiale non vivente. Prende una beuta con fieno e fa bollire e un’altra che non fa bollire, nota che solo nella prima non si sviluppa vita. Tale esperimento venne contestato in quanto la beuta era chiusa e senza il contatto tra acqua e aria non si può sviluppare la vita. - Louis Pasteur (1822-1895): esperimento con fiasco a collo di cigno anche con contatto non si ha crescita. - John Tyndall (1820-1893): i batteri viaggiano tramite la polvere. Filtrando l'aria si ha sterilità, infatti con nessuna polvere i brodi nutritivi sono rimasti sterili, anche se esposti direttamente all'aria. Scopre l'esistenza di batteri molto resistenti al cxalore. - Ferdinand Cohn (1828-1898): scopre che batteri molto resistenti al calore possono produrre endospore. Ruolo dei microrganismi nelle malattie: - Agostino Bassi (1773-1856): dimostra che una malattia dei bachi da seta è causata da un fungo, tutti i bachi sani non avevano il fungo al contrario di quelli malati. - M. J. Berkeley (1803-1889): dimostra che la peronospora patata dovuta a un'infezione fungina - Heinrich de Bary (1831-1888): dimostra che i funghi causano delle malattie e conia il termine simbiosi. - Louis Pasteur (1822-1895): fermentazione del vino a viene grazie a dei funghi - Joseph Lister (1827-1912): microrganismi stanno sugli oggetti provando che i microrganismi erano gli agenti causali delle malattie. Ha sviluppato un sistema chirurgico antisettico per impedire ai microrganismi di penetrare nelle ferite e i suoi pazienti hanno avuto meno infezioni postoperatorie.  - Robert Koch (1843-1910): conferma definitivamente che i microrganismi infettano le persone ed elabora i postulati di Koch: 1. Il microrganismo deve essere presente in ogni caso nel paziente infetto ma mai isolato da un paziente sano 2. Sul paziente malato, il microrganismo deve essere isolato e cresciuto in un ambiente di cultura 3. Il microrganismo isolato deve essere trasportato su un paziente sano e questo si deve ammalare a sua volta 4. Isolando nuovamente il microrganismo devo ottenere lo stesso microrganismo che avevo isolato la prima volta dal paziente infetto Limiti dei postulati di Koch: alcuni organismi non possono essere coltivati in coltura pura perché dipendono da cellule ospiti. Manca il modello animale e l’uso di esseri umani per completare i postulati non è etico. Le prove molecolari e genetiche possono sostituire e superare questi limiti. Studi immunologi: scoperta del sistema ciai - Edward Jenner (1749-1823): scoperta dei vaccini. Si conosceva l'esistenza del vaiolo fin dal mille a. c. e si sapeva che si prendeva una volta sola. Avevano visto che se si inoculava il vaiolo in un bambino sano questo dopo guariva e non lo prendeva più. Era più conveniente inoculare i un bambino sano. inoculazione diverso da vaccino. - Elie Metchnikoff (1845-1916): scoperta prime cellule del sistema immunitario. Si accorse che gli allevatori di vacche non prendevano il vaiolo e che nelle mammelle delle vacche si presentavano le stesse pustole. Capisce che stando a contatto con le vacche infette l'organismo dell'allevatore si abituava al vaiolo che non essendo umano non lo uccideva. Ecologia microbica: Winogradsky e Beijerinck scoprono molti processi metabolici del suolo, quali la fissazione dell'azoto e le culture di arricchimento. Membri del mondo microbico: i microrganismi sono organismi troppo piccoli per essere visti chiaramente da un occhio non esperto. Generalmente < 1mm ma ne esistono alcuni macroscopici quali le muffe del pane. Sono semplici nella loro costruzione e mancano tessuti differenziati. --> batteri, virus, archea, funghi, protisti Classificazione dei microrganismi: - Cellulari: acido nucleico racchiuso in una membrana plasmatica (eucarioti: funghi: lieviti > funghi unicellulari e muffe > funghi filamentosi e protisti; batterie, E. Coli, e archea, metanogeni), organismi capaci di replicazione autonoma. - Acellulari: privi di membrana plasmatica funzionale (che prenda nutrienti), non sono in grado di replicarsi autonomamente. Tra questi abbiamo i virus, viroidi, satelliti e prioni. Noi siamo un olobioma, ovvero non siamo solo i nostri geni ma anche quelli dei batteri e dei virus che si trovano nel nostro intestino. Patobionti: microrganismi che in condizioni fisiologiche, normali dell'organismo, non creano problemi ma in certi casi si può trasformare in un patologo. Es. Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis. Schemi di classificazione 20.09.24 In questo corso ci si concentrerà su archea e sui virus. In un solo grammo di suolo si può raggiungere il miliardo di microrganismi. Nel 1866 iniziano i primi tentativi di disegnare l’albero universale della vita, i batteri erano classificati tra piante e animali in maniera poco chiara. Nel 1969 ancora non era chiara la classificazione, questo perché veniva effettuata una classificazione per morfologia in quanto ancora non si conosceva il genoma. Nel 1990 si comincia a classificare in base al DNA, in particolare, utilizzando i geni dei ribosomi. Da una cellula primordiale (chiamata LUCA) si originano i tre domini principali: batteri, archea ed eucarioti (con piante e animali). Tra i batteri studieremo la tassonomia di firmicutes (unici batteri che sporificano) e protobacteri (molti dei patogeni umani). → Capacità di sequenziare e computerizzare hanno aiutato nella creazione dell’albero filogenetico. - Cellula procariota (batteri e archea): no nucleo, molto più piccole e morfologicamente più semplici - Cellula eucariota: nucleo con membrana, più grande e complessa morfologicamente Dominio batteri: unicellulari, la maggior parte possiede una parete cellulare con peptidoglicano, che protegge la membrana, la maggior parte non presenta un nucleo con membrana e sono in grado di vivere in ambienti estremi. Costituiscono un microbioma. Dominio archea: si distinguono dai batteri per sequenze di rRNA uniche, lipidi di membrana unici, caratteristiche metaboliche insolite e molti vivono in ambienti estremi. Non causano direttamente malattie all’uomo, eccetto i metanògeni (archea che producono metano, vivono nell’intestino delle mucche). Dominio eucaria: - Protisti: unicellulari e generalmente più grandi di batteri e archea, metabolismo simili ai protozoi, ne fanno parte alghe fotosintetiche - Funghi: Unicellulare (lievito) o multicellulare (muffe o funghi). Origine della vita: antenato comune 3,8-3,5 bya, appare la prima cellula. Tassonomia: classificare un batterio non è semplice in quanto sono molto simili morfologicamente e il genoma cambia facilmente (trasduzione, coniugazione e trasformazione). La nomenclatura è genere-specie e in aggiunta si ha il ceppo, in genere seguito da un numero che identifica un discendente di una coltura microbica pura. I ceppi possono differire dal punto di vista patogenetico, morfologico e biochimico. La microbiologia studia gli aspetti fondamentali, di base, come fisiologia, genetica, biologia molecolare e tassonomia dei microrganismi. Esistono poi aspetti applicati come lo studio delle malattie, dell’acqua, alimenti e microbiologia industriali. Ad oggi stiamo assistendo alla seconda età dell’oro per la microbiologia: era della metagenomina e del next generation sequencing (siamo in grado di studiare tutti i geni presenti nel suolo e di sequenziare tutto il genoma dei microrganismi). In una piastra non è possibile vedere a occhio nudo un batterio ma ciò che si vede sono le colonie. Tipi di microscopia: - Campo chiaro > permette di studiare meglio le membrane - Contrasto di fase > percepisco l’interno in maniera molto nitida. Generalmente utilizzato per l’osservazione dei batteri, quando non vengono colorati (fluorescenza) - Campo oscuro - Fluorescenza > tecnica molto potente per oggetti molto piccoli tra cui i batteri, è in grado di mettere in evidenza le proteine - Microscopio confocale a scansione laser > permette di ottenere immagini 3D - Microscopio elettronico > permette di vedere i plasmidi. TEM (trasmissione electron microscope) e SEM (scan electron microscope). Il TEM va più in profondità ed è bidimensionale, il SEM scannerizza solo la superficie ed è tridimensionale. Struttura della cellula batterica e archaea Batteriologia: ▪ FORMA: cellule sferiche (cocchi) o a bastoncello o Cocchi: diplococchi (coppie), streptococchi (catene) -> streptococcus epidermidis, stafilococchi (grappoli) -> staphylococcus aureus, tetradi (4 sfere riunite su un unico piano), sarcina (2 tetradi una sopra l’altra) o Bacilli: a forma di bastoncino, sreptobacilli, coccobacilli -> bacillus subtilis o Vibrio (forma a virgola) -> vibrio cholereae o Spirillo-rigido (cavatappi) la forma gli dona ilvantaggio evolutivo di penetrare nel muco-> campylobacter jejuni o Spirochete-flessibili (cavatappi ma molto lunghi) o Micelio -rete (sembrano dei funghi, sono cellule separate) o Pleomorfi con forme variabili  ▪ DISPOSIZIONE: determinato dal piano di divisione e dalla separazione o meno ▪ DIMENSIONI: presentano dimensioni variabili o Piccolo = 0,3 μm ->Micoplasma o Media = 1,1-1,5 μm di larghezza e 2-6 μm di lunghezza -> E. coli o Molto grande = 600 per 80 μm -> Epulopiscium fishelsoni I batteri sono piccoli per avere un rapporto ottimale tra superficie/volume, anche perché spesso vivono in ambienti oligotrofici (poveri di nutrienti). Per aumentare le dimensioni hanno evoluto la struttura di bacillo, in modo da aumentare il volume senza alterare troppo il rapporto. Strutture batteriche comuni: - Membrana plasmatica con doppio strato fosfolipidico - Parete cellulare - Capsula formata da strati zuccherini di polisaccaridi rilasciati dalle cellule di alcuni batteri sempre con funzione di protezione. - Nuceloide (aggregazione del cromosoma no protetto da membrana) - Ribosomi (fino a 10 mila in una cellula di E. Coli) vengono costruiti nel citoplasma senza bisogno di mRNA che maturi e che esca dal nucleo. Ciò rende la replicazione molto veloce e anche l’adattamento. - Corpi di inclusione (grani di zuccheri, zolfo, vescicole x la fitness,…) - Filamenti citoscheletrici (importanti per la liberazione dei cromosomi durante la replicazione) - Flagello (elica per il movimento, il movimento è chimico-decisionale) - Pili non fisicamente adesi alla cellula, sono filamenti proteici rilasciati dalla cellula con funzione adesiva e di aggancio al tessuto o superficie. - Vescicole extracellulari: i batteri sono capaci di formare estroflessioni con all’interno materiale genomico o citoplasmatico e rilasciarle per comunicare (la produzione di queste aumenta l’aggressività delle cellule) Involucro cellulare: tutto ciò che avvolge il citoplasma > membrana, parete cellulare, capsula o strato mucillaginoso se presenti MEMBRANA PLASMATICA Funzioni: ▪ Protegge il citoplasma ▪ Barriera selettiva permeabile, acquisisce nutrienti ed elimina rifiuti ▪ Rileva e risponde a sostanze chimiche circostanti ▪ Utilizzata nell’assorbimento di nutrienti attraverso sistemi di trasporto ▪ Conservazione dell’energia e processi metabolici (permette ai batteri di respirare, accumulo di protoni da un lato della membrana e l’assenza di essi dall’altra parte, si forma un gradiente, crea una differenza di potenziale tra interno e esterno). È una struttura dinamica, molto simile a quella degli eucarioti. Presenta un doppio strato lipidico con teste polari esterne e code non polari interne, capace di fermare la maggior parte di molecole a eccezione di acqua e ossigeno. Sulla membrana sono presenti proteine di membrana: - Proteine periferiche di membrana: blandamente legate alla membrana e facilmente rimovibili. Sono il 20-30% delle proteine totali di membrana. Queste possono stare in aggregazione con le integrali di membrana aiutando il passaggio di molecole. - proteine trans membrana/integrali di membrana che attraversano lo strato della membrana - Possono formarsi associazioni tra oligosaccaridi e trans membrana, tra glicolipidi e lipidi, e microdomini funzionali di membrana (lipidi differenti dagli altri in quanto accolgono particolari proteine utili all’assorbimento dei nutrienti) -> isole specifiche. Fosfolipide: costituito da una testa polare e idrofila, a cui segue un glicerolo con una catena di coppie di acidi grassi non polare e idrofobica, la struttura presenta una carica positiva. La membrana plasmatica è composta principalmente da fosfolipidi. Alcuni di questi più piccoli, gli opanoidi: molecole idrofobe simili al colesterolo, hanno la funzione di aggiungere fluidità alla membrana permettendo alla cellula di rimanere funzionale anche a basse temperature. Inoltre, vanno a formare i microdomini funzionali di membrana. Nutrienti: ▪ Micronutrienti: necessari in grandi quantità e sono molecole organiche: proteine, lipidi e carboidrati, molecole inorganiche: carbonio, ossigeno, idrogeno,..., cationi: calcio, potassio, magnesio ▪ Micronutrienti: in poche quantità manganese e molibdeno ▪ Fattori di crescita: vitamine, aminoacidi, purine e pirimidine Metodi per l'assorbimento dei nutrienti: I microbi possono accogliere particelle disciolte solo attraverso una membrana selettivamente permeabile. I microrganismi utilizzano meccanismi di trasporto. ▪ Diffusione passiva: secondo la quale le molecole si spostano da una regione a concentrazione maggiore a una con minore concentrazione. Lavora sul fatto che le molecole si spargono in tutto lo spazio non rimangono zone con più o meno concentrazione. Richiede un ampio gradiente di concentrazione per un adeguato assorbimento dei nutrienti. Meccanismo importante per H2O e O2 e CO2 ma non efficiente per altri nutrienti. La velocità diminuisce con la diminuzione di concentrazione. ▪ Diffusione facilitata: movimento attraverso la membrana plasmatica con l'aiuto di proteine di trasporto (trans membrana che fungono da canali). - Canali: proteine che formano pori per il passaggio di sostanze.  - Trasportatori: proteine che hanno un'elevata specificità di substrato nel trasporto. La diffusione è vera e propria perché non dipende dall'energia. La direzione del movimento è da alta a bassa concentrazione. La concentrazione influisce sulla velocità di assorbimento. La velocità aumenta con il gradiente di concentrazione. Se si perde il gradiente, il trasporto si arresta. La diffusione facilitata ha una crescita iniziale per quanto riguarda la quantità di trasporto ma a un certo punto si stalla in quanto i trasportatori si saturano. Pro: necessita di una concentrazione minore affinché avvenga il trasporto. Questi sistemi funzionano in ambienti ricchi di nutrienti ma i batteri vivono in ambienti poveri (ipotrofici). Dunque, l’evoluzione ha portato allo sviluppo di altri meccanismi: ▪ Trasporto attivo primario e secondario: trasporto contro gradiente di concentrazione, processo dipendente da energia. Usa ATP o forza motrice protonica (accumulo di protoni che rientrano generando energia (H+). Coinvolge proteine trasportatrici che controllano la velocità di trasporto. Quando la concentrazione di soluto è elevata, si osserva l'effetto di saturazione del trasportatore. o ATP Binding Cassette (ABC): Utilizzare l'energia dell'idrolisi ATP per spostare le sostanze contro il gradiente di concentrazione senza modificarle. È solamente uniporters: una singola molecola trasportata attraverso la membrana. L' ATP-binding cassette (ABC) transporters è composto da: 2 domini idrofobici di membrana e 2 domini citoplasmatici associati ATP. La solute binding protein, che ha la funzione di intrappolare il glucosio che trova a giro, è una proteina accessoria ai trasportatori e si trova all’esterno, all’interno si trovano altre proteine accessorie che legano ATP che permettono l’ingresso del soluto nel citoplasma. o Trasporto secondario: utilizza l'energia potenziale dei gradienti ionici per cotrasportare le sostanze senza modificarle. Sposta sia lo ione che la sostanza attraverso la membrana. - Symport- 2 sostanze si muovono entrambe nella stessa direzione. Utilizzato per l’ingresso del lattosio in cui lo ione utilizzato è Na+ e la proteina che permette l’ingresso è la permeasi. - Antiport-2 sostanze si muovono in direzioni opposte. 02/10/2024 ▪ Traslocazione: Trasporto dipendente dall’energia che modifica chimicamente la molecola quando viene introdotta nella cellula. o sistema fosfoenolpiruvato: zucchero fosfotransferasi (P T S): Importa zuccheri e li fosforila.  Il glucosio che si trova dalla cellula dev’essere acquisito; tutto parte dal fosfoenolpiruvato che fornisce l’energia necessaria per fare partire il processo: 1. trasferisce il suo fosfato a un enzima E1°, 2. Il fosfato vene ritrasferito a una proteina HPr 3. Fosfato trasferito poi al complesso 2°. Tale complesso è libero nel citoplasma e sta vicino alla membrana, cede il fosfato alla proteina 2B che prende contatto con 2C (struttura trans membrana). 4. Il glucosio grazie all’energia del fosfato entra nella cellula e il fosfato viene immesso sul glucosio in posizione 6, si ha glucosio 6 fosfato (inizio della glicolisi?). In questo modo dal fofoenolpiruvato si libera un piruvato utile per l’inizio di altre reazioni. o Assorbimento del ferro: problematico perché insolubile. Avviene attraverso molecole dette siderofori, che vengono rilasciate al di fuori della cellula. Queste sono capaci di legare il ferro quindi, il batterio recupera il sideroforo che una volta entrato nella cellula viene separato dal ferro. PARETE CELLULARE Scudo nato per proteggere la membrana facilmente sfaldabile ▪ Mantiene la morfologia del batterio ▪ Protegge dalla lisi osmotica e dai materiali tossici ▪ Può contribuire alla patogenocità Fatta di peptidoglicano ( o mureina): ▪ Costituito da due unità funzionali (N-acetilglucosamina e acido N-acetilmuramico) ripetute n volte (nag-nam-…). Entrambe sono ampio zuccheri, presentano una struttura zuccherina + una parte amminica, con alternanza di amminoacidi D e L. NAG e NAM vanno a formare catene sovrapposte a formare una barriera rigida. I NAM di una catena sono legati ai NAM delle catene sotto e sovrastanti, questi legami avvengono tra le code dei NAM, costituite da amminoacidi (alanina, glutammina, diaminopimeliacido). La maggior parte sono aminoacidi D in grado di resistere a enzimi proteolitici (che degradano le proteine). o Legame orizzontale di tipo glicosidico (tra NAM e NAG). Questo legame viene degradato dalla proteina lisozima, (enzima che abbiamo nella saliva, lacrime,.. ci permette di degradare il peptidoglicano) o Il legame verticale è di tipo peptidico (NAM-NAM) Nei gram negativi il legame si forma tra una D alanina e un DAP del NAM sotto., comportando la perdita di una d-alanina (5°aminoacido). È legame diretto, a maglie strette. Nei gram positivi il legame non è diretto ma c’è un ponte (il più comune è di 5 glicine ce ne sono vari). I filamenti di peptidoglicano hanno una forma elicoidale. Organizzazione dei Gram-positivi ▪ Membrana plasmatica ▪ Spazio periplasmatico (tra membrana e peptidoglicano), punto della respirazione, dell’entrata dei protoni e dove avvengono tutti gli scambi degli zuccheri. N.B. Lo zucchero passa il peptidoglicano ma non riesce a penetrare la membrana e si ferma nello spazio periplasmatico aspettando che sistemi di assorbimento lo prendano. ▪ Per rendere ancora più resistente la membrana: acidi tecoici e lipotecoici. I primi prendono origine dagli zuccheri (NAM e NAG), i secondi prendono contatto con la membrana (connessione), sono carichi positivamente il che aiuta l’assorbimento di ioni. ▪ Il peptidoglicano è spesso fino a 100nm Es. (Firmicutes) > bacillus cerius, bacillus antracis; actinobacteria Gram variabili: a causa della tecnica di colorazione che rende poco chiara l’identificazione (poi ci sono anche batteri senza peptidoglicano che però non si colorano) Organizzazione dei Gram-negativi ▪ Membrana plasmatica (uguale ai positivi) ▪ Peptidoglicano (con ponte diretto tra d-alanina e dap) molto sottile (10 nm) ▪ Seconda membrana plasmatica: lipopolisaccaridica (LPS) ▪ Spazio periplasmatico che include il peptidoglicano, va da LPS alla membrana interna, è molto ampio. In dettaglio: Sulla 1° membrana vi sono proteine trans membrana (ABC) La 2° membrana presenta strato interno =alla membrana primaria. Lo strato esterno presenta lipidi che prendono il nome di lipopolisaccaridi (lipo> parte lipidica, polisaccaridi > perche presentano una catena zuccherina anche molto lunga). A causa di questa differenza, è meno fluida della primaria. ▪ Può avere proteine trans membrana ▪ Presenta proteine, dette porine, raggruppate a gruppi di tre che hanno la funzione di far passare molecole (fino a 600 Dalton) all’interno (-pori/canali). ▪ Recettori di membrana esterna (TonB): sistema complesso, sono una via diretta per entrare all’interno della cellula (usata dai siderofori) Lipolisaccaridi: 3 parti ▪ una lipidica, ▪ il core ( parte centrale, conservata nelle stessa specie batterica) ▪ antigene O (catena laterale variabile a seconda del ceppo batterico, può essere molto lunga anche 20 zuccheri). Fondamentali per il nostro sistema immune che riconosce LPS (es. Salmonella è un gram negativo che ha fino a 2000 LPS, anche e.coli è gram negativo). Esistono degli LPS che sono riconosciuti dal nostro sistema immune come self e non vengono attaccati. C’è un gruppo di e.coli patogeni che hanno LPS self e quindi molto pericolosi, bastano anche 10/20 cellule per infettare. Come anche Shigella. Importanza dell’LPS ▪ Contribuisce alla carica negativa sulla superficie cellulare. ▪ Aiuta a stabilizzare la struttura della membrana esterna. ▪ Crea una barriera di permeabilità. ▪ Protezione della difesa dell'ospite. ▪ Agisce come tossina. Lipoproteine di Braun: permettono il contatto tra peptidoglicano e membrana esterna. Protezione dalla lisi osmotica Ambiente ipotonico=concentrazione esterno < concentrazione interno. I liquidi sono incomprimibili, la cellula è tutta piena d’acqua. Il peptidoglicano protegge dalla lisi della cellula perché evita che altra acqua entri nella cellula e lo scoppiamento. In un ambiente ipertonico si deve evitare la plasmolisi, ovvero che l’acqua lasci la cellula e che il citoplasma si raggrinzisca. Prove di protezione della parete cellulare: Lisozima che rompe il legame tra NAM e NAG, la cellula batterica da aveva la forma a bastoncino diventa sferica e prende il nome di protoplasto (senza peptidoglicano). Questo viene messo in ambiente ipotonico e di conseguenza lisa perché è privo di protezione. I protoplasti sono gram +; sferoplasto è gram – ( rimane la membrana esterna); micoplasmi batteri privi del peptidoglicano (!non esistiono batteri senza membrana), di conseguenza la membrana plasmatica è più resistente. I batteri sono capaci d rilasciare vescicole extracellulari nell’ambiente (2nm). Queste si formano sia nei gram+ che nei gram-. Il batterio è capace di fare estroflessione ad es. nella membrana interna. All’interno di queste ci sono parti degli organelli cellulari e sono usate per comunicare. È stato visto che sono coinvolte nella patogenesi; nel nostro sangue siamo ricchi di vescicole create da noi stessi. Es. Pseudomonas aeruginosa Le microvescicole non possono riprodursi (no cromosoma e troppo piccole), possono avere ATP (riserva energetica che si possono passare tra batteri), e giocano un ruolo nell’interazione tra cellule (trasferimento di tossine, geni, ecc) Strati esterni dell’involucro cellulare  ▪ Capsule: polisaccaridi a scudo (zuccheri densissimi) o Ben organizzata difficile da rimuovere, batterio resiste a fagocitosi e protegge dall’essiccazione. ▪ Strati mucillagginosi: zuccheri più lassi perché non e facilmente rimovibili. È simile alla capsula perché è uno zucchero ma facilita la mobilità (osa che la capsula non permette) ▪ Glicocalici: estensioni di polisaccaridica che facilita l’attaccamento a superfici solide ▪ Strati s:proteine aggregate. Tali proteine vengono rilasciate all’esterno dalla cellula, dopodiché si auto assemblano per formare un’armatura (tecnica usata dagli archea) (sono come dei magneti). Nei gram – aderisce alla membrana esterna, nei gram + aderiscono al peptidoglicano. Aiutano a proteggere dalle fluttuazioni del pH e dallo stress osmotico, favoriscono l’adesione alle superfici, proteggono dalle difese dell’ospite, mantengono la forma e la rigidità e ultimamente sono utilizzati nelle nano tecnologie. 04/10/2024 N.B. In bacillus antracis la capsula è fatta di aminoacidi e in particolare da acido d-glutamico. Strutture citoplasmatiche CITOSCHELETRO ▪ Protoplasto: membrana plasmatica e tutto ciò che contiene ▪ Citoplasma: tutto ciò che all’interno della membrana plasmatica Quando si parla del citoplasma dei batteri si parla di affollamento macromolecolare – stato vetroso, perché è molto denso (es. In una cellula di e. Coli ci sono 10.000 ribosomi). Ritroviamo omologhi elementi citoscheletrici eucariotici, con funzione di dividere le cellule, localizzare le proteine o per mantenere la forma delle cellule. Esempio di molecole del citoscheletro: ▪ FtsZ: per dividere i batteri, indica il punto in cui deve avvenire la divisione cellulare (si posiziona al centro della cellula) (corrisponde alla tubulina negli eucarioti) ▪ MreB: nelle cellule a bastoncello, per dare la forma a bastoncello (infatti nei cocchi non è presente). Esistono delle tecniche di colorazione in cui il colorante si lega alla proteina mostrandone la posizione. (Negli eucarioti è l’actina) ▪ CreS: serve per dare la forma a vibrio. INFLESSIONI DELLA MEMBRANA PLASMATICA (presenti in alcuni batteri in particolare quelli che fanno fotosintesi - cianobatteri). Sono vescicolazioni atte ad aumentare la superficie (“più membrane” = più ATP). ▪ Tubulari o a lamelle grazie alla presenza di proteine specifiche. CORPI DI INCLUSIONE: aggregazioni di sostanze organiche o inorganiche (riserva di nutrienti – sono i nostri strati adiposi). Spesso utilizzati per sequestrare enzimi che producono intermedi tossici. ▪ Vacuoli gassosi: membrane ripiene di aria coinvolti nel movimento. Tipiche dei cianobatteri perché permettono loro di galleggiare e rimane vicino alla superficie per fare la fotosintesi. ▪ Magnetosomi: nei batteri acquatici. Sono particelle di magnetite per l’orientamento nel campo magnetico terrestre, che permette di capire in che direzione si trova la superficie. I cristalli di magnetite si posizionano in fila, uniti da un filamento proteico. ▪ Microcompartimenti: strutture sferiche costituite da proteine con all’interno carbossisomi per la fissazione di CO2. Contengono l’enzima anidrasi carbonica che aumenta la concentrazione di CO2 all’interno del carbossisoma. RIBOSOMA: 70S con subunità minore 30S e subunità maggiore 50S. Sono costituiti da rRNA, una subinità 16S nella subunità minore e una 23S e 5S nella subunità maggiore. Il 16S è un gene grande 1500 paia di basi (pb), utilizzato nel sequenziamento batterico e classificare. NUCLEOSIDE: regione in cui troviamo il cromosoma libero, non è protetto da membrana e tutte le reazioni avvengono nel citoplasma. Il genoma di un batterio va da 0.5 milioni pb a 10 milioni pb con una media di 4 milioni pb (E. Coli, è grande 2 micron, il suo genoma stesso 1400 micron). Il nostro genoma è di 3,2 miliardi pb, ciò ci rallenta (impieghiamo 17 anni per diventare adulti biologicamente mentre i batteri 19 minuti). Solitamente il cromosoma batterico è circolare, tale super avvolgimento è reso grazie a delle proteine specifiche, ed ha come risultato la cromatina. PLASMIDI: DNA extra cromosomico in genere circolare ma esistono anche lineari. ▪ Episomi: in grado di integrarsi nel cromosoma Il numero di plasmidi in un batterio dipende, le dimensioni variano da 3000 pb (shighella, e.coli) a 200.000 pb (agrobatterium – il suo plasmide è pieno di geni che se iniettati nella cellula vegetale crea una specie di massa tumorale nella pianta). Solitamente chi ha plasmidi piccoli ne ha numerosi, chi ha plasmidi grandi ne ha pochi. Strutture esterne ▪ Pili e fimbrie: adesione ▪ Flagello: movimento PILI: pilo sessuale rilasciato da un batterio durante la coniugazione per il passaggio del materiale genetico. Lunghi, spessi, cavi e poco numerosi. (Tra 3 e 10nm di diametro) FIMBRIE: strutture proteiche corte e sottili, rilasciate in grandi quantità, al di fuori della cellula, lungo il batterio. Formano una sorta di collante permettendo l’adesione alla superficie. FLAGELLO: appendici locomotorie filiformi che si estendono dalla membrana. Il batterio presenta dei sensori che gli permettono di capire in che direzione andare. ▪ Un flagello polare (batterio monotrico: pseudomonas aeruginosa) ▪ Più flagelli in posizione polare a una o entrambe le estremità (batterio lophotrico: comamonas teprigena) ▪ Flagelli presenti su tutta la superficie (batterio peritrico: bacillus cerius) ▪ Un solo flagello e ciascuna delle estremità della cellula (batterio anfitrico) Il flagello è un’ultrastruttura composta da 3 parti (sia gram+ che -): (- motore elettrico in versione microscopica) - - Corpo basale - Segmento ricurvo detto uncino ▪ Parti statiche (proteina MotA e MotB= statore) costituiscono la struttura su cui entra la parte mobile (ring con proteine FliF e FliG = rotore). Il primo anello si trova nella membrana, un secondo nel peptidoglicano e un terzo nella membrana esterna. ▪ Dalla membrana esterna sporge un uncino al cui interno passa la flagellina che permette l’assemblamento del filamento. Tale proteina auto assemblante, è sintetizzata da un ribosoma che si posiziona vicino alla struttura. ▪ I protoni entrano nella cellula per via di un gradiente di concentrazione, l’alternanza di cariche + e – permettono il movimento di una parte (rotazione); per invertire il verso basta invertire il flusso protonico. Motilità A) Movimento flagellare B) Movimento non flagellare A) Movimento natatorio (- elica di una barca) ▪ Batteri monotrichi: l’avanzamento è dovuto alla rotazione del flagello in senso antiorario (rotazione in senso orario per tornare arrestarsi). Per curvare run-flick- reverse, ovvero, si arrestano e invertono rapidamente il verso del flagello. Tale inversione causa una rotazione della cellula che si riorienta e quindi riparte con una nuova direzione (chemiotassi). L’attivazione del flagello avviene maggiormente nella direzione dell’attrattante. ▪ Batteri peritrichi: l’avanzamento è uguale ai monotrichi. Per cambiare direzione fanno ruotare in senso orario dei flagelli, scoordinandoli (ognuno va dove vuole); ciò provoca una nuova orientazione del batterio. I batteri si muovono 40 volte il loro corpo al secondo (ghepardo 15 volte al secondo). Si parla di 1100 giri al secondo. Movimento per sciamatura L'avanzamento avviene su una superficie solida con uno strato acquoso, prevede l’utilizzo di flagelli peritrichi. Il movimento avviene grazie alla produzione di molecole che abbassano la tensione superficiale (i sulfattanti). Movimento a cavatappi (spiroteche) I batteri con questo movimento hanno la caratteristica di penetrare negli strati mucosi. Non hanno flagello libero ma è adeso alla struttura a cavatappi (flagelli periplasmatici). Questi girando permettono un movimento a spirale della cellula e ciò aiuta la penetrazione. B) Movimento a scatti e per scivolamento – non è presente il flagello Si sostiene che il movimento a scatti avviene grazie a dei pili che grazie all’utilizzo di ATP (costoso) riescono a muovere il pilo (lo fanno scattare), questo cambia angolazione permettendo alla cellula di spostarsi (sgorbio n. 1). (sgorbio n.2 movimento per scivolamento) Elenco virus e batteri trovati durante il corso: - Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis - streptococcus epidermidis - bacillus subtilis - vibrio cholereae - campylobacter jejuni - Micoplasma - E. coli - Epulopiscium fishelsoni - pseudomonas aeruginosa - bacillus cerius