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Trasformazioni chimiche e chimico-fisiche il cui scopo finale è la creazione di una nuova cellula

Metabolismo Batterico

Per tutte le

funzioni 2. precursori delle macromolecole (zuccheri, aa, acidi grassi)

1. energia ATP

http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm

Dinamica delle Popolazioni BattericheLaboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

Funzioni genetiche

replicazione

trascrizione traduzione

DNA RNA proteine

riproduzione

acidi grassi)

Metabolismo Batterico

Per produrre energia i batteri sfruttano :

1 Energia solare → batteri fotosintetici

2 Energia da sostanze chimiche → batteri chemiosintetici

chemiosintetici

Processi di fosforilazione: ADP → ATP

1 fotosintesi

2 -fermentazione (ossidazione parziale del substrato), - -respirazione aerobia (accettore finale O2) ed anaerobia (accettore finale nitrati, solfati, CO2)

Classificazione

Fotoautotrofi (fotosintesi) C da anidride carbonica

Fotoeterotrofi (energia da luce) C da composti organici

C da composti organici

Chemoautotrofi (energia da ox-red) C da anidride carbonica

Chemeoeterotrofi (energia da ox-red) C da composti organici

SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO

Peptidoglicano

Punto di crescitadella parete cellulare

Membrana citoplasmaticaEsterno

Interno

Bactoprenolo

Pentapeptide

SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO

Transpeptidazione

Protoplasti e sferoplasti

La sintesi di parete può essereinibita (es. lisozima o antibiotici)

Protoplasti parete totalmenteassente

Sferoplasti parete parzialmenteassente

Le sintesi macromolecolari

la replicazione del DNA

Le due catene parentali non si separanocompletamente

La polimerizzazione dei nucleosidi trifosfati avvieneper opera della polimerasi

Nei batteri: polimerasi I, II e III.

Polimerasi III più importante

La separazione delle due eliche è catalizzata datopoisomerasi I e girasi

La duplicazione comincia dal sito oriC(V=40µm/min) ed è semiconservativa

Cellula 1-1,5 µm; DNA lunghezza 1mm;

Cellula 1mm, DNA 1m

Le sintesi macromolecolari

la sintesi proteica

Codon di inizio

m-RNA- 30S + t-RNA - f-Met + 50S

Codon terminatore

Sintesi di proteine costitutiva o inducibile.

Regolazione della sintesi proteica

Limiti dell’esistenza batterica

pH 5-9: maggioranza batteri

Thiobacillus thiooxidans pH 0.5

H2S → acido solforico

E.faecalis, Bacillus circulans pH 10-11

EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DI

NaCl SULLA CRESCITA

Velocità

Alotollerante Alofilo AlofiloestremoEsempio:

Staphylococcus Esempio:Vibrio fischeri Esempio:

Halobacterium salinarumaureus

Non alofilo

Esempio:Escherichiacoli

Velocità di crescita

0.9% 15%7% 30%

CONDIZIONI DI CRESCITA

Ossigeno

Anaerobiosi

Ioni inorganici

Temperatura

Esoenzimi

Terreni liquidi/solidi

Umidità: è condizione favorente

liofilizzazione

Temperatura: 20-45°C mesofili45-75°C termofili facoltativi

45-75°C termofili facoltativi

50-75°C termofili obbligati

inibiti a 30°C psicrofili

NO meccanismi di termoregolazione

Pressione atmosferica: batteri barofili? adattati acrescere a pressioni elevate (fondali oceanici)

Concentrazione sali: NaCl 0.85% fisiologica

7-8% Stafilococchi

15-25% alofili

Pressione osmotica: pochissimi batteri osmofili cresconoin presenza di pressione osmotica elevata

Terreni di coltura

solidi

Agar:polisaccaride estrattoda alcune alghe

1-2% gelificazione

> 80°C → liquido

< 45°C → solido

Terreni sintetici

Terreni di base addizionaticon sostanze naturali

Le colture isolanti

Per disseminazione

sul terreno

Per diluizione nel terreno

(agar-batteri)

Mezzi selettivi di isolamento

isolamento

Condizioni di incubazione

Temperatura ottimale

CO2, aerobiosi o anaerobiosi

Terreni di coltura

liquidi

Stessa composizione dei terreni solidi

(non contiene agar)

Intorbidamento del terreno

CURVA DI CRESCITA DI UNA

POPOLAZIONE BATTERICA

Fasi della crescita

Latenza Esponenziale Stazionaria Morte

Conta vitale

TorbiditàDensità ottica

Rappresentazione schematica della divisione di cellule

bastoncellari o coccoidi

I batteri si dividono per scissione binaria

Il tempo di divisione (generazione) della cellula batterica è molto

variabile e dipende dalla specie e dal terreno di coltura

Ad es. E. coli può dividersi ogni 20 min, in una notte oltre

20 generazioni (circa 500 anni per un uomo)

M. tuberculosis ha un tempo di generazione di circa 24 ore

In un sistema chiuso, la crescita esponenziale non può continuare per un tempo indefinito. Una

singola cellula batterica con un tempo di generazione di 20 minuti produrrebbe, se

continuasse a crescere in modo esponenziale per

continuasse a crescere in modo esponenziale per 48 ore, una popolazione il cui peso sarebbe circa

4000 volte il peso della terra, dato particolarmente impressionante se si considera che il peso di una

singola cellula batterica è circa 10-12 g.

RIPRODUZIONE PER SCISSIONE SEMPLICE

Replicazione del DNA

Allungamento della cellula

Generazionecellulare

Formazione del setto

Completamento del setto con formazione di pareti distinte

Separazione della cellula

LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’

Eredità: stabilità e la variabilità nel vasto assortimentodi funzioni fisiologiche che formano le proprietà deimicroorganismi.

Gene: sequenza di DNA che codifica per un prodottofunzionale o controlla le proprietà di un microorganismo

funzionale o controlla le proprietà di un microorganismo(caratteristiche biochimiche, di patogenicità, diresistenza agli antibiotici, ecc.,). I geni sono localizzatisul cromosoma. Il cromosoma è duplicato prima delladivisione cellulare così le cellule figlie ricevono uncorredo identico di geni.

I geni nel loro insieme costituiscono il genoma e formano il cosiddetto genotipo.

LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’

La replicazione del cromosoma è un processo

preciso, molto raramente si hanno errori durante la

sintesi, (mutazioni, cioè variazioni permanenti della

sequenza originale del gene).

Nell’Escherichia coli è oltre 3 miliardi di Daltons

(>4000 Kbp). E’ una doppia elica fatta da due

sequenze complementari di basi puriniche e

pirimidiniche tenute insieme da legami idrogeno (G-

C) (T-A). Struttura circolare (lunghezza ~ 1mm)

Mutazioni

Mutazione: modifica permanente della sequenza nucleotidica

di un gene. Gli alleli sono diverse forme di un gene mutato.

MutageniAgenti chimici e fisici che aumentano la frequenza di

mutazione.Fisici: radiazioni, UV, caloreChimici: diretta reazione col DNA, composti nitrosi,

Chimici: diretta reazione col DNA, composti nitrosi,agenti alchilanti, analoghi delle basi e composti cherichiedono l’attivazione di enzimi cellulari.Mutazioni indotte: molti agenti chimici causano

mutazione perché aumentano gli errori di appaiamentotra le due catene di DNA. Altri composti si intercalanotra le eliche (acridine), creano distacchi ecomplementazioni intracatenarie.

Mutazioni

• Riparazione dei danni: sistema senza errori (error-free) e sistema con errori (error-prone). Una lesione sul DNA scatena nella cellula la produzione di enzimi deputati alla riparazione (sistema SOS). Gli errori sono rimossi da nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella

nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella complementare ancora intatta (template). Se anche l’altra catena è danneggiata allora il sistema ripara ma causa errori.

• Sequenze non senso (UAG, UAA e UGA) sono il segnale di fine traduzione del mRNA, quando per mutazione si crea un non senso la traduzione si interrompe in quel punto.

RICOMBINAZIONE DEL DNA

Due tipi di ricombinazione

• Generalizzata (mediata dal gene recA)

• Specializzata (recA-indipendente)

TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICONEI BATTERI

• CONIUGAZIONE

• mediata da F o altri plasmidi coniugativi sexduzione

• TRASDUZIONE

• generalizzata o specializzata

• TRASFORMAZIONE

CONIUGAZIONE

Scambio di materiale genetico mediante contatto tra due cellule

DONATORE > RICEVENTE

Plasmide F (o altro coniugativo, produce un pilo tipico)

Apparato coniugativo per trasferire se stesso – spesso ad alta frequenza

Il plasmide F può integrarsi sul cromosoma >> Hfr*

*High frequency of recombination

CONIUGAZIONE

F (o simile) codifica per un pilo sessuale che identifica un recettore (ompA) sulla superficie

esterna del ricevente

molti plasmidi codificano per un repressore che

molti plasmidi codificano per un repressore che blocca la formazione del pilo (espresso

temporaneamente)

dopo contatto con il ricevente il pilo si ritrae e le due cellule sono in comunicazione per via di un

ponte citoplasmatico

TRASFERIMENTO DI DNA PLASMIDICO PER CONIUGAZIONE

Cromosomaplasmide batterico F

Cellula F+ Il Pilo si ritraeCellula F-

Nella cellula ricevente comincia

Cellula F+ Il Pilo si ritrae

Coppia di cellule stabilizzataIl plasmide F è tagliato su un’elica

Trasferimento di un’elica di DNA di F da una cellula F+ a una F-. Il plasmide F si replica simultaneamente nelle cellule F+

Nella cellula ricevente comincia la sintesi dell’elica complementare

Compimento del trasferimentodel DNA e sintesi le cellule si separano

Cellula F+F+

CONIUGAZIONE

• I geni sono trasferiti in ordine fisso

• Esiste un gradiente di trasmissione

• Hfr diversi hanno origine diversa

• Attraverso le frequenze di ricombinazione circolarità del cromosoma

• Distanze dei geni sul cromosoma (tempo)

CONIUGAZIONEF’

Originano da F che nel distacco dal cromosoma catturano segmenti di DNA

può replicarsi autonomamente

può ricombinarsi nel ricevente

può integrarsi sul cromosoma

CONIUGAZIONEGram-positivi

il donatore forma una proteina sulla superficie della cellula (adesina) che media l’aggregazione con le cellule riceventi

le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM

le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM 1000) che stimolano la produzione di adesina

fusione di protoplasti naturale o mediante glicole etilenico

Trasduzione E' un meccanismo di scambio di

materiale genetico mediato da batteriofagi

I virus batterici o batteriofagi sono classificati in tre grossi gruppi:Virulenti autonomi: infettano le cellule batteriche e si sviluppano senza richiedere alcuna funzione cellulare (vi sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la

sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la uccidono).Virulenti dipendenti: per il loro sviluppo necessitano di funzioni cellulari e quindi la cellula non muore sino a che il virus non giunge a maturazioneTemperati: sono virus che solo occasionalmente uccidono la cellula spesso entrano in simbiosi con essa come fanno alcuni plasmidi duplicandosi insieme alla cellula.

The T4 infectious cycle

Lysogeny

Temperate phages can convert host to lysogen

Establishment likely with high level of infection of bacterial culture, starvation

infection of bacterial culture, starvation

Stable association of phage DNA with bacterial cell (prophage)

Normal growth and division of lysogen

Environmental cues may induce lytic cycle

Cellula batterica

FagoCiclo litico Cellula trasdotta

TRASDUZIONE generalizzata

Particella trasducente

Cellulabatterica

Particella trasducente(DNA dell’ospite dentrol’involucro virale)

Trasduzione Ricombinazione genetica con il DNA dell’ospite

TRASDUZIONE specializzata

gal bio

TRASFORMAZIONE

• Tre meccanismi distinti• Pneumococchi• legano DNA doppia elica• non specifico• entra un solo filamento

• Haemophilus• DNA doppia elica specifico

• artificiale• sferoplasti• elettroporazione

Cromosomabatterico DNA trasformante

Proteina di legame al DNA

Proteina specifica della competenzache lega il DNA a singola elica

Nucleasi

TRASFORMAZIONE

Nucleasi

Nucleotidiliberi

Proteina RecA

TRANSPOSIZIONE

Sequenza bersaglio

Sequenza bersaglio duplicata

Elemento Transponibileinserito

Elementotransponibile

Specificità d’ospite del DNA(Enzimi di restrizione modificazione del DNA)

Il materiale genetico (DNA) sintetizzato dai batteri subisce un processo di metilazione che è specifico di ogni specie batterica

La modificazione del DNA è come un’

La modificazione del DNA è come un’ identità del materiale genetico che è riconosciuto da enzimi (nucleasi) detti di restrizione, in quanto degradano ogni DNA che è stato prodotto in altre specie batteriche (estraneo)

Specificità d’ospite del DNA(Enzimi di restrizione e modificazione del DNA)

Ogni volta che una cellula batterica riceve DNA da altre specie questo è riconosciuto come estraneo e quindi degradato

L’efficienza di questo meccanismo varia da

L’efficienza di questo meccanismo varia da specie a specie (0- 1x10-4)

Gli enzimi di restrizioni sono utilizzati in Biologia Molecolare (ingegneria genetica, mappe di restrizione ecc)

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