Cellula Batterica

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La Cellula Batterica La Cellula Batterica Lezione della prof.ssa Catania II Settimana 08 Marzo 2010 Microbiologia

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Cellula Batterica

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  • La Cellula BattericaLa Cellula BattericaLezione della prof.ssa Catania

    II Settimana08 Marzo 2010

    Microbiologia

  • MICRORGANISMI

    Struttura cellulare:tipo procariotico BATTERI

    tipo eucariotico MICETIPROTOZOI

    Struttura subcellulare:con acidi nucleici VIRUS

    VIROIDI - VIRUSOIDI

    senza acidi nucleici PRIONI

  • Eucarioti e procarioti a confronto

  • BATTERI

    Organismi procarioti

    Dimensioni: dellordine dei m

    Forma determinata dalla parete cellulare; si distinguono:

    - cocchi (forma sferica)- bacilli (forma allungata)- vibrioni (ricurvi)- spirilli e spirochete (forma a spirale)

    Unicellulari, ma sono possibili aggregazioni: -Diplococco-Streptococco-Lampropedia-Sarcina-Stafilococco-Streptobacillo, diplobacillo.

  • Sferici Bastoncellari

  • LA CELLULA BATTERICASTRUTTURE FONDAMENTALI

    MEMBRANA PLASMATICA

    CITOPLASMA

    PARETE CELLULARE

    CROMOSOMA

    RIBOSOMI

    MESOSOMI

    STRUTTURE ACCESSORIEPILI

    FLAGELLI

    CAPSULA

    PLASMIDI

    GRANULI

  • Citoplasma

    E la parte della cellula situata internamente alla membrana plasmatica in cui si svolgono le funzioni necessarie per la crescita, il metabolismo e la replicazione cellulare.

    Pu essere suddiviso in: area propriamente Pu essere suddiviso in: area propriamente citoplasmaticacitoplasmatica (di aspetto granulare e ricca di RNA), (di aspetto granulare e ricca di RNA), area cromatica o nucleare (ricca di DNA).area cromatica o nucleare (ricca di DNA).

  • CitoplasmaCitoplasma

    E costituito da acqua, ioni, enzimi ed altre proteine, vitamine, zuccheri e derivati, ac.grassi e derivati, aminoacidi e precursori, ac. nucleici e precursori.

    Mancano i mitocondri, i cloroplasti, Mancano i mitocondri, i cloroplasti, llergastoplasmaergastoplasma ed un sistema ed un sistema vacuolarevacuolare..

    Sono presenti Sono presenti ribosomiribosomi e granuli di varia e granuli di varia natura, costituiti da sostanze di riserva.natura, costituiti da sostanze di riserva.

  • RIBOSOMI

    I ribosomi sono particelle citoplasmatiche che intervengono nella sintesi proteica.Sono composti dal 60% in RNA e dal 40% in proteine.Sono costituiti da due subunit: leggera o 30S e pesante o 50S. Presentano una costante di sedimentazione di 70S.

  • Inclusioni citoplasmatiche:Inclusioni citoplasmatiche:granuligranuli

    I granuli di glicogeno sono rivestiti da I granuli di glicogeno sono rivestiti da membrana e svolgono una funzione di membrana e svolgono una funzione di riserva.riserva.

    I granuli di polifosfato vengono anche I granuli di polifosfato vengono anche chiamati granuli metacromatici, di chiamati granuli metacromatici, di volutina o corpi di Babvolutina o corpi di Babss--Ernest, svolgono Ernest, svolgono la funzione di riserva di fosfato.la funzione di riserva di fosfato.

  • Inclusioni citoplasmatiche:Inclusioni citoplasmatiche:granuligranuli

    I granuli di poliI granuli di poli--betabeta--idrossibutirrato idrossibutirrato (PHB) sono strutture di deposito di (PHB) sono strutture di deposito di componenti di natura lipidica e sono stati componenti di natura lipidica e sono stati riscontrati nelle cellule in fase di riscontrati nelle cellule in fase di sporulazione.sporulazione.

    I granuli di zolfo svolgono la funzione di I granuli di zolfo svolgono la funzione di riserva di zolfo inorganico, riserva riserva di zolfo inorganico, riserva energetica per la cellula batterica.energetica per la cellula batterica.

  • Cromosoma batterico o Cromosoma batterico o NucleoideNucleoide

    costituito da ununica molecola circolare di DNA a struttura bicatenaria con peso molecolare di circa 2109daltons.

    Mancano i nucleoli. Manca la membrana nucleare.

    Mancano gli istoni; il DNA associato a poliammine e a proteine basiche simil-istoniche

  • Distesa in tutta la sua lunghezza la molecola raggiunge la dimensione di 1mm strettamente avvolto a formare un nucleoide da cui sono esclusi i componenti citoplasmatici.

    Il cromosoma batterico pu contenere da 3 a 6103geni.

  • La trascrizione

  • Trascrizione-traduzione

  • Membrana citoplasmaticaMembrana citoplasmatica

  • Membrana Membrana citoplasmaticacitoplasmatica

    una membrana semipermeabile e una membrana semipermeabile e selettiva che regola il passaggio delle selettiva che regola il passaggio delle sostanze nutritive e dei prodotti di sostanze nutritive e dei prodotti di rifiuto.rifiuto.

    responsabile del mantenimento della responsabile del mantenimento della stabilitstabilit osmotica della cellula. osmotica della cellula.

    sede di processi metabolici inerenti il sede di processi metabolici inerenti il trasporto di elettroni, la fosforilazione trasporto di elettroni, la fosforilazione ossidativa, la respirazione e la ossidativa, la respirazione e la costruzione della parete cellulare. costruzione della parete cellulare.

    la sede di parecchi enzimi.la sede di parecchi enzimi.

  • Membrana citoplasmaticaMembrana citoplasmatica(funzione)(funzione)

    Attraverso il mesosoma svolge una Attraverso il mesosoma svolge una funzione di guida nella divisione cellulare, funzione di guida nella divisione cellulare, nella sintesi dei lipidi e nel trasporto degli nella sintesi dei lipidi e nel trasporto degli esoenzimi. Nei batteri fotosintetici esoenzimi. Nei batteri fotosintetici svolge, attraverso i cromatofori, la svolge, attraverso i cromatofori, la funzione clorofilliana.funzione clorofilliana.

  • MesosomiMesosomiComplesse Complesse invaginazioniinvaginazioni convoluteconvolute della membrana della membrana

    plasmatica.plasmatica.Intervengono nella cellula batterica in vari processi

    riproduttivi e metabolici.

    Partecipano alla formazione di setti durante il Partecipano alla formazione di setti durante il processo di divisione della cellula.processo di divisione della cellula.

    Sono associati in maniera complicata al materiale Sono associati in maniera complicata al materiale nucleare batterico ed alla sua replicazione.nucleare batterico ed alla sua replicazione.

    Sono associati a processi enzimatici.Sono associati a processi enzimatici.

  • Struttura del mesosoma in Struttura del mesosoma in Bacillus fastidiosusBacillus fastidiosus

  • Struttura del mesosoma in Struttura del mesosoma in Bacillus subtilisBacillus subtilis

  • Organizzazione diversa della parete neiGram positiviGram negativiAcido Alcool resistenti (micobatteri)

    Funzioni della parete batterica

    PROTEZIONE

    FORMA

    PROCESSO DI DIVISIONE

    SOLLECITAZIONI MECCANICHE

    RIGONFIAMENTO OSMOTICO

    Parete batterica

  • COLORAZIONE DI GRAME la colorazione fondamentale in batteriologia. E noto che i batteri si dividono in Gram positivi e Gram negativi. Il nome Gram deriva dal batteriologo danese Hans Christian Gram che sviluppo' questo metodo di colorazione nel 1884.

  • SCHEMA RIASSUNTIVO DELLA COLORAZIONEDI GRAM :

    1) Colorazione con violetto di genziana (1 min)

    2) Lavaggio con acqua (facoltativo)

    3) Aggiunta liquido di Lugol (1 min)

    4) Lavaggio con acqua

    5) Decolorazione con alcool etilico - acetone (20 sec.)

    6) Lavaggio

    8) Lavaggio7) Colorazione con fuxinao safranina (1 min)

    9) Asciugare delicatamente con carta o al calore

    10) Osservazione microscopica con obiettivo ad immersione

  • COSA DISTINGUE UN BATTERIO GRAM POSITIVO DA UN BATTERIO GRAM

    NEGATIVO?

    Al termine della colorazione di Gram, alcuni batteri appariranno colorati in violetto (come il primo colorante usato)

    perch il decolorante non sar riuscito ad asportare il complesso che si formato tra il cristalvioletto e lo iodio del

    liquido di Lugol: questi batteri verranno detti GRAM-POSITIVI ; altri batteri invece saranno decolorati dallalcool e

    dallacetone ed assumeranno il colore rosso del secondo colorante usato: questi saranno definiti GRAM-NEGATIVI

  • Batteri Gram-positivi Batteri Gram-negativi

    Il diverso comportamento dei batteri nella colorazione di Gram, riconducibile ad una diversa permeabilit degli involucri cellulari che maggiore nei gram-negativipiuttosto che nei Gram-positivi, tant che nei primi permessa lasportazione del complesso cristalvioletto-iodio da parte del colorante

  • The Peptidoglycan Monomerof Escherichia coli

    The Peptidoglycan Monomerof Staphylococcus aureus

    Parete cellulareStruttura del peptidoglicano

    NAM, acido N-acetilmuramicoNAG, N-acetilglucosamina

  • Struttura del peptidoglicanoStruttura del peptidoglicano

  • Legame interpeptidico realizzato tramite un ponteLegame interpeptidico realizzato tramite un pontedi pentaglicinedi pentaglicine

  • Legame diretto tra catene peptidiche del Legame diretto tra catene peptidiche del peptidoglicanopeptidoglicano

  • Structure of Peptidoglycan: Escherichia coli

    Structure of Peptidoglycan: Staphylococcus aureus

  • DIFFERENZA TRA LE PARETI CELLULARI DEI GRAM-POSITIVI E

    DEI GRAM-NEGATIVI

    Gram-negativi Gram-positivi

    Parete cellulare

    Acidi teicoici

    Membrana plasmat.

    Membrana plasmat.

    200-800 20-30

  • AltriAltri componenticomponenti delladella pareteparetedeidei Gram Gram PositiviPositivi

    Acidi teicoici: polimeri a lunga catena attaccati ai residui di MurNAc, che sporgono in superfice. Consistono di catene di residui, fino a 30, di glicerolo o di ribitolo con legami fosfodiesteri e con vari sostituenti (zuccheri, colina, D-alanina) che determinano la specificit.

    Acidi lipoteicoici: attraversano il peptidoglicano poichuna estremit della catena legata ad un glicolipide nella membrana mentre laltra estremit esposta allesterno.

  • Acidi teicoici

  • Acidi teicuronici: vengono sintetizzati in carenza difosfato, la cui assenza inibisce la sintesi di acidoteicoico.

    Conferiscono carica negativa alla parete deiGram+

    Funzione da chiarire: organizzazione strutturaledella parete, passaggio di ioni attraverso la parete

  • La parete cellulare dei Gram-positivi molto spessa ed formata da numerosi strati di peptidoglicano con intersecati minori quantit di altri polimeri, primi tra tutti gli ACIDI TEICOICI.

    Acido lipoteicoicoPeptidoglicano

    Acido teicoico

    Parete cellulare

    Membrana citoplasmatica

    Proteine strutturali ed enzimatiche

  • Questa struttura altamente polare, in conseguenza delle cariche degli aminozuccheri e degli aminoacidi del peptidoglicano e dei radicali fosforici degli acidi teicoici. Per questo motivo il cristalvioletto ed il liquido di lugol riescono a permeare la parete cellulare grazie alla loro idrofilia, ma quando si complessano tra di loro allinterno della cellula assumono caratteristiche altamente idrofobiche che non gli consentono di riattraversare la parete cellulare ed essere estratti dalla cellula nemmeno in presenza di idonei solventi

    Al contrario i batteri Gram-negativi possiedono una parete cellulare da 10 a 25 volte meno spessa di quella dei Gram-positivi che composta solo da peptidoglicano (con lassenza, quindi, degli acidi teicoici). Queste caratteristiche non la rendono in grado di contrastare a sufficienza il transito di molecole idrofobiche, ecco perch il complesso cristalvioletto-iodio che si viene a formare allinterno della cellula in grado di fuoriuscire dalla cellula con laggiunta del decolorante

  • DIFFERENZA TRA LE PARETI CELLULARI DEI GRAM-POSITIVI E

    DEI GRAM-NEGATIVI

    Parete cellulare

    Acidi teicoici

    Gram-negativi Gram-positivi

    Membrana esterna

    Membrana plasmat.

    Membrana plasmat.

  • Organizzazione della parete dei Gram negativi

  • MembranaMembrana esternaesterna filtrofiltro molecolaremolecolare: : diffusionediffusione didi piccolepiccole molecolemolecole menomeno fluidafluida delladella MIMI haha strutturastruttura asimmetricaasimmetrica caratterizzatacaratterizzata dalladalla presenzapresenza didi::

    LipopolisaccarideLipopolisaccaride ProteineProteine delladella membranamembrana esternaesterna

    la la strettastretta adesioneadesione al al peptidoglicanopeptidoglicano sottostantesottostantedipendedipende dada unauna piccolapiccola lipoproteinalipoproteina ((Braun Braun lipoproteinlipoprotein))

    delimitadelimita lo lo spaziospazio periplasmicoperiplasmicostore store degradativedegradative enzymesenzymes

    Gram Gram negativinegativi

  • Omp: outer membrane protein

    Porine: proteine trimeriche che formano canali di diffusione passiva per il passaggio di molecole inferiori a 600-700 D (OmpC ed OmpF: porine pi importanti di E. coli)

    Proteine strutturali (OmpA)

    Recettori per fagi e batteriocine

  • Lantigene O, o antigene somatico, dato dalla ripetizione di un tetra- o penta-saccaride e si estende dalla superficie cellulare allambiente esterno. Ogni batterio ha un caratteristico antigene O che pu essere usato per tipizzare il batterio.Il core composto principalmente da acido 2-cheto-3deossioctulosio (KDO); lunica funzione del core quella di ancorare lantigene O al lipide A.Il lipide A un glicofosfolipide. E la porzione tossica della molecola

    LIPOPOLISACCARIDE

    Rappresenta lendotossina comune a tutti i Gram negativi.Vi si distinguono tre porzioni diverse per natura chimica e funzione

  • Colorazione di Ziehl-Neelsen

    Espettorato da paziente con tubercolosi polmonare

  • BATTERI PRIVI DI PARETESI OTTENGONO PER AZIONE DI:

    Enzimi liticiAntibiotici che interferiscono con la biosintesi della

    parete cellulare

    INCAPACI DI MOLTIPLICAZIONE:Sferoplasti (da G-: con membrana esterna)Protoplasti (da G+, senza membrana esterna)

    CAPACI DI MOLTIPLICARSI: Forme L

    Solo un genere di batteri, in natura, privo di parete MycoplasmaMycoplasma

  • DifferenzeDifferenze nellanella sequenza dell rRNA 16Ssequenza dell rRNA 16S

    EubacteriaEubacteria peptidoglicano ( o mureina)peptidoglicano ( o mureina)

    acidoacido muramicomuramico

    Archaebacteria (es. batteri del metano)Archaebacteria (es. batteri del metano) pseudomureinapseudomureina

    pareteparete cellularecellulare modificata senzamodificata senza acidoacido muramicomuramico

    Eubacteria versus Eubacteria versus ArchaebacteriaArchaebacteria

  • Struttura lipidica della membrana cellulare di Eubatteri ed ArchebatteriNegli Archebatteri i lipidi di membrana contengono catene di etere glicerilico(piuttosto che esteri)e di poliisoprenoide(piuttosto che alchile).La struttura della membrana lipidica degli Archebatteri risultato delladattamento ad estreme condizioni ambientali come la temperatura e lacidit .

  • strato lasso, viscoso polisaccaridico o polipeptidico che circonda batteri gram+ e gram. Nel caso sia poco aderente e poco uniforme per densita e spessore, questo materiale e definito

    glicocalice

    Capsula

  • Adesione aspecifica

    In Streptococcus mutans permette di aderire e colonizzare lo smalto dentale ed innescare il processo cariogeno

  • COME OSSERVARE LA CAPSULA

    MICROSCOPIO OTTICO:

    COLORAZIONE NEGATIVA

  • Reazione di Reazione di QuellungQuellung (rigonfiamento (rigonfiamento capsularecapsulare): permette di evidenziare ): permette di evidenziare capsule capsule antigenicamenteantigenicamente distinte distinte mediante anticori specifici.mediante anticori specifici.

    COME OSSERVARE LA CAPSULA

    MICROSCOPIO OTTICO:

    COLORAZIONE NEGATIVA

  • Left. Streptococcus pneumoniae -India ink capsule outlineMiddle. Bacillus anthracis -fluorescent-tagged antibodyRight. Streptococcus pyogenes -transmission electron micrograph.S. pneumoniae capsular material is composed of polysaccharide. The capsule is the pathogen's most important determinant of virulence because it allowsthe bacterial cells to escape phagocytes in the lung.The B.anthracis capsule is composed of poly-D-glutamic acid. Its capsule isantiphagocytic, and it protects the bacteria from complement- mediated lysisin serum or blood.The capsule of S. pyogenes is composed of hyaluronic acid, the same polymeras found in human connective tissue. The capsule is an antigenic disguisethat prevents recognition of the streptococci by phagocytes or the immune system.

    Bacterial capsules visualized by various techniques

  • Since the bacterial flagellum is below the resolving power of the light microscope, although bacteria can be seen swimming in a microscope field, the organelles of movenent cannot be detected. Staining techniques such as Leifson's methodutilize dyes and other components that precipitate along the protein filament and hence increase its effective diameter. Flagellar distribution is occasionally used todifferentiate between morphologically related bacteria. For example, among the Gram-negative motile rod-shaped bacteria, the enterics have peritrichous flagella while the pseudomonas have polar flagella.

    Flagellar stains of three bacteriaa. Bacillus cereus b. Vibrio cholerae c. Bacillus brevis

  • Salmonella is an enteric bacterium related to E. coli. The enterics are motile by means of peritriochous flagella.

    Salmonella enteritidis TEM about 10,000X

  • Uncino

    STRUTTURA DEL FLAGELLO

    Il corpo basale inserito nellinvolucro cellulare molto complesso. Nei Gram+ si trovano due anelli inseriti nella membrana interna attorno ad un perno (cilindro), mentre i Gram- hanno un paio di anelli supplementari nella membrana esterna.

    Il filamento formato di unit ripetute di ununica proteina globulare: la flagellina, aggregate in una stretta catena elicoidale (tubi con uno stretto canale centrale vuoto) .

    Filamento

    Ancorate alla membrana citoplasmatica sono localizzate le proteine Mot che controllano il motore, il quale con una torsione fa ruotare il filamento. Un altro gruppo di proteine, dette Fli, funge da invertitore ribaltando la rotazione del flagello in risposta a segnali intracellulari

    Corpo basale

  • Crescita dei filamenti flagellariCrescita dei filamenti flagellari

    Laccrescimento del flagello in vivo avviene a livello apicale (non dalla base ma dalla punta), ed il trasporto della flagellina si effettua attraverso la cavit centrale di 3nm. La sintesi inizia con lassemblaggio dellanello MS alla membrana, seguita dalla formazione degli altri anelli, delluncino e del cappuccio (cap). A questo punto, le molecole di flagellina (ne servono circa 20000 coppie per formare un filamento) scivolano nel canale centrale, guidate nella corretta posizione dalle proteine cap che assicurano un accrescimento ordinato del filamento

  • ROTAZIONE FLAGELLARE

    Il flagello ruota come un motore propulsore. Lenergia viene fornita dalla forza protonmotrice: il flusso verso il basso dei protoni attraverso la membrana citoplasmatica applica una forza elettrostatica allanello interno del corpo basale. Gli altri anelli servono probabilmente come guaine isolanti.

    La dissipazione del gradiente protonico attraverso la membrana, mediata dal complesso Mot, fa ruotare il flagello, ed stato calcolato che devono essere traslocati circa 1000 protoni affinchpossa avvenire un singolo movimento rotatorio. La rotazione flagellare pu far avanzare un batterio in un terreno liquido alla velocit di 60 lunghezze cellulari/secondo.

  • Tumble

    Smooth Swimmingor Run

    Chemotaxis

    Il movimento batterico pu avvenire a caso, con cambiamenti continui di direzione (tumbling) o direttamente in una sola direzione (swimming) ed determinato dalla direzione della rotazione del flagello (oraria e antioraria)

  • Chemiotassi

    In assenza di un gradiente chimico i batteri si muovono a caso, cambiando continuamente la propria direzione.

    Chemiotassi: movimento verso sostanze che attraggono(attrattive: nutrienti) o allontanamento da sostanze che respingono (repellenti: cataboliti, sostanze tossiche).

    I batteri rispondono anche a diversi stimoli ambientali come i campi magnetici.

  • Swarming Bacterial swarming is an organized form

    of multicellular translocation acrosssolid surfaces.

    It has been suggested that swarming is a strategy developed byflagellated microorganisms to ensure their rapid expansion and colonization in the natural environment. Swarming motility hasbeen shown to play a role in the colonization of host mucosalsurfaces by some infectious agents. In addition, some bacteria, such as uropathogenic Proteus mirabilis, produce higher levels of virulence factors during their swarm-cell state.

  • Microfotografia elettronica di unacellula multiflagellata, Proteus mirabilis

    Swarming

  • Swarming di Proteus mirabilis in infuso cuore-cervelloagarizzato

  • FilamentiFilamenti assialiassiali PresentiPresenti nellenelle Spirochete Spirochete FunzioneFunzione simile simile aiai flagelliflagelli SiSi estendonoestendono per per tuttatutta la la lunghezzalunghezza delladella

    cellulacellula

    MovimentoMovimento snakesnake--likelike

    Nella cellula delle Spirochete presente una struttura, detta filamento assiale, formata da due o pi elementi filamentosi che partono dai poli della cellula. Il filamento assiale simile al flagello, presentando un corpo basale ed un uncino; esso tuttavia non unappendice cellulare libera ma localizzato tra la membrana esterna ed il peptidoglicano ed spesso avvolto da una guaina proteica e pertanto viene anche indicato come endoflagello o flagello periplasmatico. Le Spirochete possiedono 2 filamenti assiali, Treponema 2-16 e Borrelia 30-40.

  • Flagella vs Fimbrae

    Transmission electron micrograph of Aquaspirillum hydrophilashowing flagella (thick, long structures) and pili (thinner fibers)

  • Funzione dei pili: adesione.

    Funzione dei pili: adesione.

    Come fattore di adesivita le punte delle fimbrie contengono delle

    proteine (lectine) che legano specifici zuccheri

    (e.g., mannosio)

  • Variazione di fase del pilo

    Meccanismo regolatore genetico reversibile che permette al batterio di andare incontro rapidamente a cambiamenti per quanto riguarda la presenza (Fim+) o assenza di fimbrie (Fim-).La prima condizione favorisce la colonizzazione iniziale ma accresce anche la suscettibilit alla fagocitosi; la perdita di tale condizione dopo la colonizzazione sembra favorire linvasione dei tessuti.

  • This pathogen utilizes its fimbriae in order toinitially colonize the urethral or cervical epithelium

    Neisseria gonorrhoeae. Electron micrograph