Cellula procariotica:struttura e funzionalità

Prof. Raffaele PiccolominiOrdinario di Microbiologia e Microbiologia Clinica

Laboratorio di Microbiologia ClinicaDipartimento di Scienze Biomediche

Università degli Studi “G. D’Annunzio, - Chieti”

Cellula procariotica vs cellula eucariotica

Cellula = unità basale della vitaOrganizzazione della struttura cellulare:

Eucarioti:AnimaliPianteFunghiProtozoiAlghe

Procarioti:EubacteriaArchibacteria (no parete cellulare, caratteri simili agli Eucarya)

Cellula procarioticaI batteri (Bacteria) sono:

ProcariotiUnicellulariPiccole dimensioni (microscopici)Generalmente più piccoli delle cellule eucarioticheAssenza di compartimentazioni intracellulariAssai complessi (funzionalmente), a dispetto delle loro dimensioniMateriale genetico organizzato in un unico cromosoma

Cellula procariotica vs cellula eucarioticaDimensioni

Procarioti generalmente più piccoli (e quindi strutturalmente più semplici) degli Eucarioti:

Cellula procariotica: 1 < d < 10 µmCellula eucariotica: 10 < d < 100 µm

Dimensioni cellula = 1/k x superficie/volume cellulareCellula sferica: d= 2 µm, sup/vol = 3:1

“ “ d= 20 µm, sup/vol = 0.3:1In 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 procarioticaMorfologia

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 procarioticaMorfologia

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 procarioticaMorfologia

Spirale (1 - >100 µm):Vibrione (ricurvo, a virgola)Spirillo (ispessito, spirale rigida)Spirocheta (sottile, spirale flessibile)

Cellula procariotica vs cellula eucarioticaCorpo nucleare

Eucarioti:Membrana nucleare dotata di pori che la collegano al reticolo endoplasmicoIl corpo nucleare è chiamato nucleouna o più paia di cromosomi lineari (DNA + istoni)Nucleolo

Procarioti:No membrana nucleareIl corpo nucleare è chiamato nucleoideGeneralmente contiene uno (o più) cromosomi circolari (tranne Borreliaspp.) (DNA + proteine histone-like)No nucleolo

Cellula procarioticaNucleoide

Composizione:cromosoma batterico (cromonema)

Singolo, bicatenario, doppia elica, circolare, superavvoltoLungo ≈ 1000 µm, contiene ≈ 3500 geniDNA-topoisomerasi (es. DNA-girasi) necessari per la sua replicazione

elementi genetici extracromosomiciPlasmidi

Piccole dimensioni, DNA non cromosomico, doppia elica, elicoidale, circolare

Elementi trasponibiliPiccole sequenze DNATraslocano da una regione all’altra del genoma batterico, all’interno della stessa cellula

Cellula eucariotica(mouse L-cell)

Cellula procariotica(Bacillus megaterium)

Cellula procarioticaNucleoide

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, trasposoniVeicolano sequenze geniche non presenti sul cromosoma, codificanti per differenti prodotti (batteriocine, adesine, siderofori, pili, determinanti antibiotico-R, etc.)

Cellula procariotica vs cellula eucarioticaStrutture 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 membranaGranuli (inclusioni) con funzione di riserva nutrizionale:

Glicogeno (poli-betaidrossibutirrato)Polifosfati (granuli metacromatici o di volutina)

Cellula procarioticaRibosomi

Generalmente, una cellula batterica può contenere fino a 15.000 ribosomiComposizione:

Densità 70S (50S + 30S)30S = 21 proteine + RNA16S50S= 34 proteine+RNA 5S e 23S

RNA-ribosomialeProteine

Funzione:Sede della sintesi proteica

Traduzione di m-RNA

Cellula procarioticaCitoplasma

Composizione:H2O (80%)Acidi nucleici (DNA, RNA)EnzimiAminoacidiCarboidratiLipidiIoni organiciComposti a basso peso molecolareLa frazione liquida del citoplasma è chiamata citosol

Cellula eucariotica(mouse L-cell)

Cellula procariotica(Bacillus megaterium)

Cellula procarioticaMembrana 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 membranaNo steroli (ad eccezione dei Micoplasmi). Presenza di molecole steroli-simili (opanoidi) ad azione stabilizzante la frazione,lipidica

Cellula procarioticaMembrana citoplasmatica

Funzioni:Regolazione selettiva degli scambi da- e per l’ambiente extracellulare:

Trasporto passivo:Diffusione sempliceOsmosi

Trasporto attivo:mediato da carrier proteicitraslocazione di gruppo

Produzione di energia (ATP)Sintesi di peptidoglicanoSintesi di fosfolipidiContiene le basi flagellariEliminazione dei rifiuti metaboliciFormazione di endospore

Cellula procariotica vs cellula eucarioticaParete cellulare

Eucarioti:Piante, alghe e funghi

parete cellulare (cellulosa, chitina)

Animali, protozoiNo parete cellulare

Procarioti:Eubacteria

parete cellulare composta da peptidoglicano

ArchibacteriaProteina, carboidrato complesso (simili a peptidoglicano)

Cellula procarioticaParete cellulare

I batteri, o Eubacteria, presentano una parete cellulare contenente un complesso polimerico caratteristico chiamato peptidoglicano (mureina)

Parete cellulareGram-positivi vs Gram-negativi

Gram +: parete cellulare ispessita (200-800 A)

Gram –: parete cellulare sottile (30-50 A), spazioperplasmico, membrana esterna

Gram-Positivi Gram-Negativi

Peptidoglicano Peptidoglicano

Membranaplasmatica

MembranaPeriplasma

Outer membraneMembrana esterna

Gram positive bacteria

Gram negative bacteria

Parete cellularePeptidoglicano

Parete cellulareGram-positivi

Gram-Negative Peptidoglycan (Direct Interbridge)

Glycan Backbone

Peptides

GG M

GG M

Escherichia coli Peptidoglycan

Parete cellulare - peptidoglicanoStruttura polimerica

Parete cellulareFunzioniForma cellularePreviene lisi osmotica cellulareInnesca difese dell’immunità innata (infiammazione, febbre, fagocitosi)Proteine di superficie agiscono come:

AdesineInvasineEnzimiAttività antifagocitaria

Gram+Attivazione Complemento (via alternativa)Fissazione notevoli quantità di cationi (Mg++)

Tolleranza a sali biliari e NaClGram-

la natura semipermeabile previene l’ingresso di sostanze tox

Involucri esterniGram-positivi

Acidi teicoici (ac. teicuronici)

Esclusivi dei Gram+Glicerolo+fosfato+ribitoloAc. lipoteicoici (funzione di ancoraggio)Str. pyogenes, associata a proteina M con funzione adesiva

Involucri esterniGram-negativi

Lipopolisaccaride (LPS)LPS consiste di tre

porzioni: lipidica, cortacatena di zuccheri (core), lunga catena polisaccaridica

Lipide A (glicolipide) rappresenta l’endotossina

Core: costante in differenti specie, acidochetodeossioctono + eptoso

catena laterale O: antigenicità (antigene O), affinità per Mg2+

Lipopolisaccaride (LPS)Caratteristiche

Prodotto soltanto dai Gram-Endotossina o Pirogeno

Endo- parte del batterio(Eso – secreto nell’ambiente)Induce piressia (febbre)

StrutturaLipide APolisaccaride

Antigene O di E. coli, Salmonella spp.2,000 differenti O Ags of Salmonella100’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, uomoSetticemia da Gram-; morte causata da LPS

Pirogeno; causa febbreAdiuvante; stimola l’immunità

Termo-resistente; difficile da rimuovereRivelazione:

Conigli (intensità febbre)Horse shoe crab (lisi di Amebociti in presenza diLPS)

Involucri esterniGram-negativi

Membrana esternaDoppio strato lipidico (7 nm):

FosfolipidiLipoproteineLipopolisaccaridi (LPS)ProteinePorine

Spazio periplasmaticoMateriale gelatinoso contenente enzimi per digestione e diffusione transmembrana dei nutrienti; enzimi detossificanti

Strutture extra-parietali

Glicocalice:Capsula

PolisaccaridicaAccumulo di materiale gelatinoso adeso alla parete cellulare

SlimePolisaccaridica, proteicaGlicocalice non organizzatoFortemente adeso alla parete cellulare

Strutture extra-parietaliGlicocalice

Funzioni:AntifagocitariaColonizzazione superfici inerti (biofilm)

Materiale biomedicaleprotesi lenti a contattocateteri

Superfici ambientaliRocceSerbatoi di raccoltaTubazioni

Strutture extra-parietaliFlagelli

Organizzazione:Monotrica

Singolo flagello polare

AnfitricaUn flagello a ciascun polo

LofotricaDue o più flagelli ad uno od entrambi i poli

PeritricaNumerosi flagelli distribuiti sull’intera superficie cellulare

Strutture extra-parietaliFlagelli

Composizione:Filamento

Struttura rigida, elicoidaleflagellina

UncinoStruttura flessibileInterposta tra filamento e corpo basale

Corpo basaleStruttura bastoncellare dotata di anelliConferisce movimento rotatorio al flagello

Filamento assiale (Spirochete)Flagello interno

Strutture extra-parietaliFlagelli

Funzioni:Locomozione

Canale protonico (MotA, MotB) attraverso membrana citoplasmaticaMotilità regolata da un gradiente pHTipologia di motilità:

Rotazione antioraria: swimmingRotazione oraria: tumbling

Taxis (tassi)Movimento in risposta ad uno stimolo

Chemiotassi (chimico)Fototassi (luminoso)Osmotassi (pressione osmotica)Erotassi (ossigeno)Termotassi (termico)

Strutture extra-parietaliPili (fimbriae)

Composizione:Presenti solo nei Gram-negativiSottili tubi proteici originati dalla membrana citoplasmaticaRivestimento proteico (pilina)

Tipologia:Pili di adesionePili coniugativi (pili F)

Strutture extra-parietaliPili (fimbriae)

Funzioni:Pili di adesione

Colonizzazione superfici inertiElusione risposta immune (modificazione struttura pili)

Pili coniugativi (pili F)Ricombinazione genica (coniugazione)