IPROCARIOTI• I batteri sono stati osservati per la prima volta

dall’olandese Antonie van Leeuwenhoek alla fine del

1600

• Sono diffusi in tutti gli ambienti della biosfera e

vivono liberi o associati ad altri organismi

• Si suddividono in due domini (Woese 1977): Archea

(archeabatteri o archeobatteri) e Bacteria (eubatteri)

I procarioti (dal greco Pro- 'prima, davanti' e Karyon 'nucleo') sono organismiunicellulari (o, al più, coloniali) di dimensioni dell'ordine del micrometro, privi dimembrana nucleare, organuli o altre suddivisioni interne, e il materiale contenutoè disciolto nel nucleoide, mentre la parete esterna è per lo più formata dapeptidoglicani. I procarioti sono stati i primi organismi viventi della storia dellaTerra sviluppatisi nelle acque.

LE CELLULE PROCARIOTI SONO MOLTO PIÙ PICCOLE DELLE CELLULE EUCARIOTI

Struttura

ØLacellulaprocariota haunastrutturaestremamentesemplice.All'esterno,aridossodellamembranacitoplasmaticaoplasmalemma,sitrovaquasisempreunaparete,all'esternodiessapuòesserepresenteunrivestimentoesternovariabilecomecomposizioneechepuòessereindicatoconnomidifferenti(capsula,glicocalice,stratomucoso,ecc.),dallacellulapossonosporgerestrutturequaliflagelliepili.

ØLamembranabattericaèanchecoinvoltanelprocessodidivisionecellulare,nellaformazionedelsettoenellasegregazionedei cromosominellecellulefiglie.Questocompitoèsvoltodaunaparticolarestruttura,dettamesosoma,cheèunainvaginazionedellamembranacellulareallaqualeèattaccatoilcromosoma.

ØAll'internodelplasmalemma,chepuòpresentareinvaginazionipiùomenoapprofondite,èlocalizzatoilcitoplasma,incuisitrovanoilnucleoide(venepossonoessereanchepiùdiuno),ealtromaterialegeneticocostituitodaiplasmidi,dairibosomi,dacorpiccioli divariotipo,enzimi,sostanzediriservaediversemolecole(zuccheri,acidiorganicieinorganici,nucleotidi,ioniecc.).

Morfologia di un batterio fotosintetico visibile al TEM

MP: membrana plasmaticaPC: parete cellulareN: nucleoideVG: vacuolo gassosoMF: membrana fotosinteticaR: Ribosomi

Struttura cellula procariota

-Cromosoma batterico: singola molecola di DNA circolare E.coli 4,6 milioni pb-Plasmidi (piccole molecole di DNA ad anello che si riproducono in modo autonomo e senza connessioni con il DNA della cellula.)

-Granuli lipidici, di glicogeno, di composti fosforilati-Mesosomi

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

(invaginazioni della membrana citoplasmatica di notevoli dimensioni, di forma irregolare)

Rispetto alle cellule Eucariotiche presentano le seguenti differenze:

1. Dimensioni minori: spessore 0,2-1,2 µm,lunghezza 1-10 µm

2. Assenza di nucleo circondato damembrana.

3. Limitato sviluppo di membrane interne4. mancanza di tutti gli organuli membranosi

(nel citosol di una cellula procariotica sonopresenti i ribosomi,organuli nonmembranosi formati da RNA e proteine)

Principali differenze fra cellule procariotiche e eucariotiche:

Cellula procariotica Cellula eucariotica

-Involucro nucleare-Organuli citoplasmatici-Capsula polisaccaridica-Parete cellulare

MembranacellulareDoppiostratodifosfolipidinelqualesonoimmerseleproteinedimembrana.Leproteinehannosuperficialtamenteidrofobichenellezonediattraversamentodellamembranaesuperficiidrofilicheacontattoconl’ambienteeconilcitoplasma.Lastrutturadellamembranaèstabilizzatadacationi(Mg2+eCa2+)cheinteragisconoconlecarichenegativedeifosfolipidi

Laprincipaledifferenzatralamembranaplasmaticadeglieucariotiequelladeiprocariotiècheneiprimisonopresentiglisteroli(es.colesteroloefitosteroli),mentrelamaggiorpartedeibatteripresentamolecolesimilichiamateopanoidi.

Inmoltibatteri,soprattuttoGram+,lamembranaplasmaticapresentadelleinvaginazioni,chiamatemesosomi,chesonocollegateconleattivitàdidivisionecellulare,respirazione,fotosintesiesecrezione

I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIA

COCCHI BACILLI SPIRILLI

Morfologia dei procarioti

- Cocchi, con forma sferica;- Bacilli, con forma cilindrica;- Vibrioni - spirilli: con forma ricurva o a spirale;

-ed in base al modo in cui si aggregano fra di loro:- Diplococchi, disposti a due a due;- Streptococchi, disposti in catenelle;- Stafilococchi, disposti a grappolo

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

Varie forme di batteri osservate con SEM

Cocchi Bacilli Spirilli

I batteri sono classificati sulla base della risposta alla colorazione di Gram

Gram +

Gram -

Parete Cellulare - il Peptidoglicano -

Lo strato rigido dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi ha unacomposizione chimica molto simile: il peptidoglicano (o mureina) èuna sottile lamina costituita da due derivati polisaccaridici,l’N-acetilglucosamina e l’acido N-acetilmuramicomantiene la forma della cellula e la proteggedall’esplosione per la pressione osmotica

Gram-positivi Gram-negativi

Parete cellulare

Pluristratificata dei Gram-positiviSpesso strato di peptidoglicano

(penicellina, scoperta da Fleming, interferisce con la sintesi della parete)

Monostratificata dei Gram-negativiSottile strato di peptidoglicano

C, citoplasma; ME, membrana esterna; SP, spazio periplasmatico; P o W, parete; MP, membrana plasmatica

ParetecellularedeiBatteriGram+

spazio periplasmaticocon periplasma

spazio periplasmaticocon periplasma

Parete cellulare dei Batteri Gram-

Parete cellulare dei Batteri Gram+

Parete cellulare dei Batteri Gram-

Si pone nella piastra di coltura un colorante basico (idrofilo) (tra i più usati anche violetto di genziana o cristalvioletto e il violetto di nicolle).Passati i 3 min. si opera un lavaggio con liquido di Lugol (una soluzione di iodio e ioduro di potassio), che reagisce con ilcolorante basico formando un composto liposolubile, che si lascia agire per circa 1 minuto.Successivamente il materiale organico viene lavato con una soluzione decolorante (alcool etilico o simili) e infine con acqua.

A questo punto: i batteri Gram + hanno trattenuto il colorante basico (viola), poiché l'alcool non ha danneggiato a sufficienza la spessa parete cellulare (idrofila) che non permette al colorante di passare. mentre i Gram - sono grigiastri, privi di colorazione, questo perché l'alcool ha sciolto i lipidi della membrana esterna e danneggiando la sottile parete cellulare che non è più in grado di trattenere il complesso cristal violetto - ioduro (liposolubile).

Infine, per far risaltare meglio la differenza si colora quindi il materiale con un colorante di contrasto, in genere safranina o fucsina (o eosina). La safranina colora le cellule in rosso e l'Eosina in rosa.Queste sostanze possono penetrare solo in cellule decolorate poiché, anche se solo modestamente idrofile, sono in grado di passare la parete cellulare grazie alle loro ridotte dimensioni. Dopo questo passo finale, i batteri Gram+ hanno colore violetto, mentre i Gram- hanno color rosso o rosa o alcune volte giallastro.

Colorazione di Gram (1884)Violetto di genziana, soluzione iodo-iodurata,decolorazione con alcool, eosina

ColorazionediGramestrutturadellapareteNellacolorazionediGramuncomplessoinsolubiledicristalvioletto-iodiosiformaall’internodellacellula.NeiGram+laparetecostituitadanumerosistratidipeptidoglicanosidisidratainpresenzadell’alcolelaporositàdiminuisce,impedendoalcomplessocristalvioletto-iodiodiuscireNeiGram– l’alcolscioglieilipididellamembranaesternaaumentandolaporositàdelleparetiepermettendol’estrazionedelcomplessocristalvioletto-iodio;unavoltadecoloratipossonoesserecoloraticonlasafranina

Sono Gram+ importanti generi batterici quali:Staphylococcus, Streptococcus, Bacillus, Clostridium,Lactobacillus, Corynebacterium, ecc.

Anche i Micobatteri Sono Gram+ (essi comprendonobatteri patogeni, come il batterio della tubercolosi equello della lebbra).

I Micobatteri contengono nella parete degli acidigrassi ramificati a lunga catena, gli acidi micolici,legati attraverso un carboidrato al peptidoglicano.La presenza di questi composti rende difficile lacolorazione di Gram, deve essere usata quindi unacolorazione particolare: colorazione di Ziehl-Neelsen

Il lipopolisaccaride di parete (LPS) nei batteri G–

L’LPS è una molecola composta, presente solo nelle cellule procariotiche.È composto da 3 parti: il LIPIDE A, il CORE e l’ANTIGENE O

Le molecole di LPShanno diverse funzioni:favorire l’adesione a superfici, costituire unabarriera all’ingresso di sostanze tossiche comeantibiotici e sali biliari.Nei Gram – patogeni il polisaccaride O ha funzione di antigene,mentre il lipide A ha azione tossica(endotossina)

Lipopolisaccaride(LPS):

• scoperto più di 100 anni fa come endotossina (tossinaassociata al batterio) termostabile in contrasto a più noteesotossine termolabili.

• la porzione lipidica dell’LPS è la tossina che ha effettopirogenico e infiammatorio nei mammiferi. Quando vienerilasciata si lega a recettori cellulari eucariotici presenti neimonociti e nei macrofagi e induce la secrezione di citochineinfiammatorie

•Capsula: all'esterno della parete cellulare; conferisce maggiore patogenicità;

•Flagelli o ciglia: sono appendici filiformi: movimento della cellula. •Pili o fimbrie: trasferimento di informazioni genetiche da cellula a cellula•Spore: forma di resistenza che consente al battere di sopravvivere anche in un ambiente sfavorevole.

Strutture facoltative:

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

ARCHEA

GLI ARCHEA SONO ANAEROBI OBBLIGATI E

VIVONO IN HABITAT ESTREMI

-assenza di peptidoglicano nella parete

-lipidi insoliti

-RNA polimerasi simile a quella degli Eucarioti

cellula primordiale

eubatteri

batteri cianobatteri eucariotiarcheobatteri

Woese

PROCARIOTI

Archeabatteri

1) METANOGENI (anaerobi obbligati)2) ALOBATTERI3) TERMOACIDOFILI (45-50 gradi, ambienti acidi)

I metanogeni prendono il nome dal loro peculiare metabolismo energetico, in cuiper ridurre l'anidride carbonica a metano, viene utilizzato l'idrogeno. Sono tra gliorganismi più strettamente anaerobi (vivono in assenza di ossigeno) e solitamentevivono in paludi ed acquitrini dove gli altri microrganismi hanno consumato tuttol'ossigeno disponibile. Esistono anche altre specie di metanogeni che abitano gliambienti anaerobi presenti all'interno del tratto intestinale degli animali, dovegiocano un importante ruolo nella nutrizione del bestiame, delle termiti e di altrianimali erbivori, la cui dieta è costituita soprattutto da cellulosa.

Gli alofili (dal greco hals, sale e philos, amico) vivono in habitat salini quali ilGrande Lago Salato degli Stati Uniti o il Mar Morto. Alcune specie si limitano atollerare un elevato grado di salinità, mentre altre per crescere richiedono lapresenza di un ambiente con una salinità 10 volte maggiore di quella dell'acquamarina. Le colonie di alofili formano pellicole rosa il cui colore è dovuto alla presenzadi un pigmento fotosintetico detto batteriorodopsina.

I termoacidofili necessitano di habitat molto acidi e molto caldi, condizioni solitamente proibitive per quasitutti gli organismi. Le condizioni ottimali per questi archeobatteri sono temperature tra i 60-80 °C e valori di pHcompresi tra 2 e 4. Ad esempio Sulfobolus abita nelle calde acque delle sorgenti termali sulfuree del Parco diYellowstone, dove si procura l'energia ossidando lo zolfo presente in grandi quantità in queste sorgenti.

I BATTERI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DEL LORO METABOLISMO

A seconda del modo con il quale si procurano le due risorse fondamentali per la vita, l'energia ed il carbonio(necessario per la sintesi dei composti organici), i batteri si dividono in autotrofi ed eterotrofi.I procarioti autotrofi sono in grado di sintetizzare le molecole organiche a partire da molecole inorganiche,come l’anidride carbonica. L’energia necessaria per alimentare queste sintesi può essere fornita dalla luce oda altri composti chimici. I batteri che, come le piante, sfruttano l’energia solare sono detti fotoautotrofi,mentre si dicono chemioautotrofi quelli che ricavano l’energia dalle reazioni chimiche. I batteri che hannobisogno di nutrirsi di molecole organiche già sintetizzate, come fanno tutti gli animali, si chiamanoeterotrofi. Questi batteri sono capaci di alimentarsi praticamente di tutto.

METABOLISMO

Batteri eterotrofi : saprofiti e parassiti

Batteri autotrofi: Fotosintetici (luce come energia) e Chemiosintetici (ossidazione composti inorganici)

Batteri aerobi, anaerobi obbligati e anaerobi facoltativi

DecompositoriFissazione dell’azoto

Decomposizione

Processo di degradazione di sostanze organiche come le piante e gli animali morti e imateriali di scarto. I processi di demolizione e decomposizione biologica hanno unimportante ruolo ecologico, poiché in loro assenza la Terra sarebbe ricoperta da strati divegetazione e di animali morti, nonché da escrementi e da altri rifiuti organici. Le reazionidi decomposizione biologica differiscono da quelle coinvolte nei processi di degradazionechimica, in cui i composti si dividono spontaneamente nelle loro parti costitutive. Ladecomposizione biologica contribuisce, inoltre, all'importante processo ecologico del ciclodella materia. I composti inorganici presenti nella biosfera vengono, infatti, utilizzati dallepiante per sintetizzare sostanze nutritive organiche, che passano, attraverso la retealimentare, nel corpo degli altri organismi viventi. Quando questi ultimi produconomateriale di scarto o muoiono, i composti presenti all'interno del loro corpo vengonoridotti nuovamente a sostanze inorganiche dai processi di decomposizione e fanno ritornonella biosfera, che viene così mantenuta in uno stato di equilibrio stazionario. Il ciclo dellamateria, anche noto come processo di mineralizzazione, è mediato quasi interamente damicrorganismi e può essere favorito dal fuoco.

Batteri ecologicamente importanti

Organismi decompositori

Batteri e funghi sono i principali agenti responsabili della decomposizione della materia organica e, pertanto,vengono chiamati collettivamente organismi decompositori. Tra questi, gli organismi che proliferano sui resti dialtri organismi morti sono detti saprofiti. Gli organismi viventi hanno, invece, meccanismi di difesa che liproteggono dall'attacco dei decompositori. Il ciclo della materia è, quindi, collegato alla durata della vita diciascun organismo. La decomposizione microbica rappresenta la via principale attraverso la quale l'anidridecarbonica, assorbita primariamente dalle piante nel corso della fotosintesi, fa ritorno nell'atmosfera. Svolge,inoltre, un ruolo igienico-sanitario di primaria importanza nello smaltimento dei liquami domestici. Le varie speciedi decompositori sono generalmente specializzate ciascuna nella degradazione di un gruppo di sostanze organichespecifiche, per le quali hanno sviluppato apposite reazioni metaboliche. Qualunque composto organico presentein natura può essere decomposto sia da singoli microrganismi, sia da più specie differenti che agiscono inconcerto. Alcuni costituenti organici delle piante sono più resistenti di altri alla decomposizione microbica e,pertanto, si accumulano nell'ambiente sotto forma di humus. L'humus rappresenta il principale componenteorganico del suolo e contribuisce in modo importante alla fertilità del terreno, in quanto favorisce il drenaggiodell'acqua e la circolazione dell'ossigeno al suo interno.

La decomposizione è più rapida in presenza di ossigeno. Se l'ossigeno è scarso, come nei sedimenti deilaghi o nei terreni impregnati d'acqua, il processo di decomposizione rallenta. Ciò è dovuto al fatto che in questecondizioni solo i microrganismi anaerobi (attivi in assenza di ossigeno) contribuiscono al processo didecomposizione del materiale organico, mentre quelli aerobi (attivi in presenza di ossigeno) muoiono. Tra imicrorganismi anaerobi vi sono i batteri denitrificanti, solfato-riducenti e metanogeni, che ottengono energiarispettivamente da nitrati, solfati e anidride carbonica quasi nello stesso modo in cui i batteri aerobi la ottengonodall'ossigeno. Altri anaerobi si procurano, invece, l'energia attraverso la fermentazione dei composti organici. Sela concentrazione di ossigeno rimane bassa molto a lungo, la decomposizione può essere così lenta che lamateria organica si accumula in grande quantità. Gli esempi più evidenti sono le torbiere, in cui il materialeorganico impregnato d'acqua può essere profondo molti metri. La compressione dei depositi delle torbiere,formatisi durante il periodo Carbonifero, è avvenuta nel corso di più ere geologiche, favorita da diversi fattorifisico-chimici, e ha portato alla formazione del carbon fossile. I batteri metanogeni sono probabilmenteresponsabili della presenza di metano nei vasti accumuli di gas naturale, generalmente associati agli strati dicarbon fossile e sfruttati negli ultimi decenni come combustibile di largo impiego.

In generale si possono distinguere due grandi gruppi: i batteri liberi e i batteri simbiontici (che vivono cioè in simbiosi con altri organismi). Tra i batteri liberi, per esempio, azotobacter, klebsiella, clostridium, rhodospirillum. Tra i batteri simbiontici, anabaena, nostoc, citrobacter, oltre al gruppo dei rhizobium che sono simbionti delle leguminose (come soia, trifoglio, erba medica). Altre ulteriori classificazioni possono distinguere questi batteri in aerobici e anaerobici.

La fissazione dell'azoto atmosferico o azotofissazione consiste nella riduzione, tramite la nitrogenasi, dell'azoto molecolare (N2) in azoto ammonico (NH3). L'azoto ammonico è successivamente reso disponibile per molte importanti molecole biologiche quali gli amminoacidi, le proteine, le vitamine e gli acidi nucleici attraverso i processi di nitrificazione e nitratazione.La reazione di azotofissazione può essere descritta come segue:

N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 PiL'idrogeno impiegato in tale reazione deriva dall'ossidazione di carboidrati, dalla quale gli agenti azotofissatori ricavano anche l'energia necessaria (sotto forma di ATP).

Batteri azotofissatori

ALTRI PROCESSI METABOLICI BATTERICI IMPORTANTI PER L’UOMO

- Trasformazione dello zucchero ad alcool (fermentazione alcoolica:vino, birra, liquori)

- Trasformazione dell’alcool ad acido (fermentazione acida: aceto,yogurt)

- Decomposizione di molecole organiche (E. coli nell’intestino e utilizzatanel trattamento delle acque di scarico)

- Produzione di sostanze utili all’organismo (vitamine: batteriendosimbionti intestinali)

- Digestione della cellulosa (batteri endosimbionti intestinali)

- Fotosintesi (cianobatteri)

ALCUNI PROVOCANO MALATTIE:- endotossine (lipopolisaccaride (LPS), che è presente nella membrana esterna dei batteri Gram-negativi )-esotossine (Difterica, tetanica)

Neurotossine:interferisconoconlanormaletrasmissionedegliimpulsinervosi.Citotossine:aggredisconoenzimaticamente lecelluledell'ospite,uccidendole.Enterotossine:attraversounastimolazioneanormalesonoresponsabilidelfunzionamentoanomalodellecelluledell'apparatogastroenterico.

Batteri

Riproduzione asessuata

Scissione binaria (20 minuti)

Anche se la riproduzione sessuata (fusione di gameti) non avviene nei batteri, si può avere scambio di materiale genetico mediante:Coniugazione (Pili)TrasformazioneTrasduzione

PROCARIOTI

Purves et al, BIOLOGIA, ZANICHELLI Editore Spa, Copyright 2005

Coniugazione

Meccanismo della coniugazione batterica:1) La cellula F+ produce il pilo coniugativo2) Il pilo coniugativo aggancia la cellula F- e le due cellule si avvicinano3) Il plasmide F viene tagliato e uno dei due filamenti viene trasferito alla cellula F-attraverso il pilo coniugativo4) Entrambe le cellule sintetizzano il filamento mancante del plasmide F e producono un pilo coniugativo.

Crescita batterica: tempo di duplicazione20’-30’