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Cellula batterica

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CLASSIFICAZIONE DEGLI AGENTI PATOGENI

Eucarioti: con nucleo e membrana nucleare, architettura cellulare simile a quella degli organismi pluricellulari:

  1. PROTOZOI (5-150 µ)
  2. MICETI (3-5 µ)

Procarioti: il materiale genetico non è racchiuso da membrana nucleare.

  1. BATTERI: unicellulari, di varie forme (0,2-2 µ).
  2. VIRUS: privi di qualsiasi struttura cellulare, “acellulari”, visibili solo al microscopio elettronico, dotati di struttura molto semplice, si possono riprodurre solo all’interno di una cellula. Formati solo da acido nucleico e proteine.

BATTERI: microrganismi unicellulari procarioti in grado di riprodursi  in vari tessuti del corpo umano. In alcuni organi, come la bocca e l’intestino, determinati tipi di batteri sono naturalmente presenti, non causano danni e sono chiamati commensali.
Altri tipi di batteri, definiti patogeni, invece, possono essere aggressivi e danneggiare gli organi e i tessuti dell’organismo.
Questi batteri sono resistenti al di fuori del corpo umano e possono essere trasmessi per via aerea, alimentare o nel corso dei rapporti sessuali.
Possono causare infiammazione a livello locale o diffondersi e riprodursi nell’organismo.

 

MORFOLOGIA DEI BATTERI – I batteri possono assumere forme diverse; 

  1.  cocchi (stafilococchi, streptococchi): forma sferica
  2. bacilli (streptobacillus moniliformis, legionella, clostridium tetani, clostridium botulinum): forma a bastoncello
  3.  vibrioni (vibrione del colera): a  “virgola”, presentano una curvatura a “C”. Tutti i vibrioni possiedono un unico flagello polare, che ne assicura la mobilità. Sono gram- e aerobi/anaerobi facoltativi.
  4.  spirilli: a spirale (forma ad elica cilindrica a passo ampio)
  5.  spirocheta (treponema pallidum): a cavatappi, sinusoidi a passo molto breve

ed in base all’associazione, i batteri possono suddividersi in:

  1. diplococchi: batteri associati due a due
  2. tetradi: gruppi di 4 batteri
  3. sarcine: otto cocchi associati a forma di cubo
  4. streptococchi: batteri associati a catenella
  5. stafilococchi: batteri associati a grappolo

DIMENSIONI: circa 1 micron dei micoplasmi fino a 30 µ di alcune spirochete.

 

COMPOSIZIONE DELLA CELLULA 

La cellula batterica è composta  per il 70% da acqua e per il 30% da proteine, polisaccaridi, fosfolipidi, DNA, RNA, piccole molecole.

STRUTTURA DELLA CELLULA BATTERICA – 

La cellula batterica dall’interno verso l’esterno, è formata dal materiale nucleare, citoplasma, membrana cellulare, parete cellulare, capsula, membrana esterna nei gram-, ed infine i flagelli.

1) Il citoplasma è un materiale gelatinoso contenente ioni, proteine, polisaccaridi di riserva, ribosomi e granuli.

2) Nucleo

il batterio è una cellula procariotica e come tale si distingue da quella eucariotica (tipica dell’uomo, ma anche di piante, animali e funghi), innanzitutto per l’assenza di una membrana nucleare (procarioti). All’interno della cellula batterica avremmo quindi un singolo cromosoma, immerso direttamente nel citoplasma e contenente DNA avvolto in una struttura circolare superspiralizzata. Di solito questo DNA è in stretta associazione con particolari regioni della membrana plasmatica (MESOSOMI), dove risiedono gli enzimi per la replicazione batterica e per la produzione di energia (fosforilazione ossidativa).   

3) Ribosomi Batterici

I ribosomi sono diffusi in tutto il citoplasma, ma in particolare dove gli enzimi sono più abbondanti. Sono costituiti da proteine ed RNA, formatosi a partire dal DNA cromosomico tramite il processo di trascrizione. Sono formati da due unità che si associano durante la sintesi proteica. La loro funzione è intervenire nella sintesi delle proteine.

I ribosomi hanno una diversa struttura e costante di sedimentazione [70s nei batteri (subunità maggiore 50s, minore 30s) e 80s negli eucarioti (subunità maggiore 70s, minore 40s)]. 

Le differenze fra i ribosomi batterici e quelli umani ha permesso lo sviluppo di farmaci selettivi, capaci di inibire la sintesi proteica batterica senza interferire con quella umana.

4) PLASMIDI – Sono mini-cromosomi composti di DNA circolare, solo un po’ più piccolo del DNA genomico e si replicano autonomamente.
Spesso ci sono molte copie plasmidiche in ogni cellula o tipi differenti di plasmidi o anche nessun plasmide. Generalmente trasportano geni non essenziali per la sopravvivenza della cellula ma funzionali per la resistenza ad uno o più antibiotici rendendo i   batteri  pericolosamente patogeni oppure possono aumentare la capacità della cellula di  infettare l’ospite.

5 – Membrana Plasmatica

La membrana plasmatica del batterio è molto simile a quella eucariotica, anche se più sottile; possiamo riconoscervi innanzitutto il tipico doppio strato fosfolipidico, in cui sono immerse glicoproteine e glicolipidi. Anche le funzioni sono analoghe,

  • regola gli scambi con l’ambiente. barriera selettiva: lascia passare, attraverso canali formati da porine,  per diffusione passiva (gradiente di concentrazione) solo piccole molecole: H2O, O2, CO2, zuccheri semplici e alcune sostanze liposolubili.
  • sistemi di trasporto attivo (pompe ioniche), necessitano energia sotto
    forma di ATP;
  • produzione di energia (ATP) (trasportatori elettroni);
  • processi biosintetici (es. sintesi di peptidoglicano).

Al suo esterno ritroviamo una struttura caratteristica, la parete batterica. E’ molto importante sottolineare, a tal proposito, che i batteri GRAM + possiedono solamente la membrana plasmatica e la parete cellulare, mentre nei GRAM – è presente un ulteriore struttura, chiamata membrana esterna.

6) Parete Batterica

La Parete Batterica fornisce al batterio rigidità e robustezza, evitando che si danneggi quando si trova in un ambiente con ridotta pressione osmotica; svolge inoltre funzioni di difesa contro la fagocitosi, e regolatrici sullo scambio di nutrienti e metaboliti con il mondo esterno (in sinergia con la membrana plasmatica).

Il costituente principale della parete batterica è un polimero chiamato peptidoglicano, più spesso nei batteri GRAM + e sottile nei GRAM -. I due monomeri che lo costituiscono sono degli amminozuccheri, chiamati N-acetilgucosammina (NAG) e acido acetil Muranico (NAM), uniti tra loro mediante legami glicosidici B 1-4 e B 1-6. Ad ogni molecola di acido N-acetil Muranico sono legati 5 amminoacidi, di cui il 1° è la L-alanina, mentre gli ultimi due sono costituiti da D-alanina.

Tanti monomeri NAG e NAM danno quindi origine ad una molecola di peptidoglicano, e più molecole di peptidoglicano si legano tra loro per formare la parete batterica. Tale associazione è garantita dall’azione di un enzima, chiamato TRANSPEPTIDASI, che dà origine ad un legame peptidico tra il terzo amminoacido di una catena ed il quarto della catena parallela. L’energia necessaria per operare tale unione viene fornita dalla perdita del quinto amminoacido, che ricordiamo essere una D-alanina. La penicillina, noto antibiotico, agisce proprio a questo livello, impedendo il legame tra il terzo ed il quarto amminoacido delle due catene parallele. Il lisozima, potente antibatterico presente – tra l’altro – nella saliva e nelle lacrime, rompe invece il legame B 1-4 che tiene uniti i monomeri NAM e NAG.

Nei batteri GRAM – il legame tra il terzo ed il quarto amminoacido è diretto, mentre nei GRAM positivi è mediato da 5 glicine (ponte pentaglicinico).

Peptidoglicano

 

La funzione principale della parete batteria è quella di impedire che le cellule batteriche si rompano per effetto della pressione osmotica (maggiore dentro alla cellula che all’esterno). Per quanto importante, la parete cellulare non è una struttura indispensabile per la vita della cellula, tant’è vero che alcuni batteri ne sono privi. Al suo interno possono esservi anche molecole chiamate ACIDI TEICOICI, tipici dei batteri GRAM positivi, ma presenti anche nei GRAM -; si tratta di polimeri di alcol polivalenti (glicerolo), associati ad amminoacidi e zuccheri, che hanno lo scopo di ostacolare la degradazione del peptidoglicano da parte del lisozima e di altri agenti battericidi.

Capsula 

Riveste numerosi batteri, sia Gram+ che Gram-.
Importante per:
 Fare aderire i batteri al substrato (es. Streptococcus mutans, agente della carie dentale, può aderire ai denti grazie alla capsula).
 Attività antifagocitaria
 Impedire l’azione di antibiotici (assorbe il farmaco impedendogli di raggiungere a concentrazioni ottimali le molecole bersaglio).
 Aiuta alcuni batteri a “travestirsi” (mimetismo antigenico) (es. Streptococco Pyogenes ha la capsula con acido ialuronico, uguale a quello del connettivo).

Membrana esterna

Tipica ed esclusiva dei GRAM-, si associa alla parete batterica mediante lipoproteine. Essa è formata da due foglietti, di cui:

  • il più interno è di natura fosfolipidica;
  • mentre l’esterno è costituito da una molecola liposaccaridica ripetuta, il cosiddetto LPS (o lipopolisaccaride).

Il lipopolisaccaride LPS è a sua volta suddivisibile in tre strati:

  • quello più interno, di natura lipidica, è chiamato LIPIDE A; è uguale per tutti i batteri GRAM – e ne costituisce la componente tossica (ENDOTOSSINA); proprio al lipide A sono quindi riconducibili molti dei classici sintomi clinici di un’infezione da GRAM-, tra i quali la febbre è senza dubbio il disturbo più comune.
  • La parte centrale, di natura polisaccaridica, è chiamata C (o core) ed è uguale per tutti i batteri.
  • La parte esterna è chiamata ANTIGENE O, è sempre di natura polisaccaridica, ma è diversa da batterio a batterio.

Nella membrana esterna si riconoscono anche piccolissime proteine, chiamate porine, che regolano l’assunzione di nutrienti, ma anche di altre sostanze, come gli stessi antibiotici (si oppongono al loro ingresso).

FLAGELLI
Alcuni batteri possono avere 1 o più flagelli. Essi originano dalla membrana plasmatica e si estendono per 5-10 µ dalla superficie.  In essi distinguiamo una base, l’uncino e il filamento.

Responsabili di:
 MOTILITA’ = organi di propulsione, ruotano velocemente (come
un’elica) da 10 a 100 giri/sec, in senso orario o antiorario.
 CHEMIOTASSI = movimento stimolato dalla presenza di sostanze;
i batteri si raggruppano nella zona che presenta condizioni ottimali per il loro metabolismo.
C. positiva = “richiamo” esercitato da zuccheri, aminoacidi, ecc.
C. negativa = “fuga” da sostanze dannose, es. acidi, alcoli.
Fonte di energia = non ATP, ma gradiente elettrochimico di protoni.

STRUTTURA FLAGELLI
Unico filamento sprovvisto di membrana
Filamento: fibre da 3 a 6 formate da flagellina disposta con simmetria elicoidale con vuoto centrale
Gancio: struttura vuota che penetra nella parete cellulare Corpuscolo basale:
Gram+: Anello S associato alla faccia interna del peptidoglicano Anello M nella membrana plasmatica
Gram-: Anelli P e L per attraversare involucri esterni

Caratteristica batteri cilindrici (bacilli vibrioni spirilli)
Posizionati su un lato: polari (mono/lofo-trichi)
Attorno alla cellula: peritrichi

PILI (o Fimbrie)
Appendici filamentose più corte e sottili dei flagelli. Presenti soprattutto
nei Gram-, 100-300 in numero, lunghi 0.2-2 m.
PILI COMUNI = numerosi e piccoli, sono organi di ancoraggio (adesine).
 Aderiscono ai tessuti e condizionano la patogenicità (es. Neisseria gonorrhoeae si fissa alla mucosa del tratto urinario con i pili, senza pili non è patogena). Sono molto specifici nell’adesione perché interagiscono solo con alcuni zuccheri specifici.
Incrementano la superficie cellulare attiva, potenziando attività di membrana (es respirazione, utilizzo di nutrienti, ecc).
PILI SESSUALI = sono meno numerosi, più lunghi e più larghi degli
altri pili. Codificati da fattori extracromosomici (= plasmidi)
intervengono nei processi di scambio genetico (coniugazione) fra batteri.

Riproduzione

La riproduzione dei batteri generalmente è asessuata, non per mitosi, ma per divisione semplice (o scissione binaria); ogni batterio (cellula madre) si scinde in due unità, dando origine a due cellule figlie identiche all’originale. Durante questo processo si possono formare degli aggregati batterici, da cui originano colonie costituite da cellule diverse per numero e posizione:

La riproduzione batterica avviene in due fasi distinte:

  • incremento delle dimensioni del batterio, che sintetizza e sviluppa le varie strutture cellulari;
  • divisione della cellula madre per originare due cellule figlie.

La crescita della popolazione batterica segue un andamento caratteristico, che la rende suddivisibile in quattro fasi:

  • DI LATENZA: i batteri sintetizzano le sostanze necessarie per prepararsi alla divisione e non aumentano di numero; la sua durata varia da specie a specie ed in relazione alle condizioni ambientali.
  • DI CRESCITA ESPONENZIALE: ogni 10 – 60 minuti il numero di batteri raddoppia (sviluppo logaritmico).
  • FASE STAZIONARIA: scarseggiano le sostanze nutritive ed il numero di nuove cellule equivale al numero di batteri morti.
  • MORTE: il drastico calo di nutrienti porta alla morte di un numero di batteri superiore rispetto a quello delle cellule ancora in grado di riprodursi.

BATTERI ATIPICI
Micoplasmi
-non hanno peptidoglicani e parete
-colesterolo nella membrana cellulare
-forma tonda o filamentosa
-0.1-0.3 m di diametro
-divisione per scissione binaria
-colorazione di Gram: rosso
-crescono in terreni acellulari
-parassiti extracellulari
Parassiti endocellulari obbligati (terreni cellulari)

Clamidie:
-cocco Gram negativo privo di peptidoglicano
Rickettsie:
-bacillo Gram negativo
-le specie patogene sono conservate in serbatoi animali ed in artropodi, e trasmessi casualmete all’uomo tramite artropodi vettori

RISPETTO ALLA CELLULA EUCARIOTICA (TIPICA DELL’UOMO): oltre alle differenze già elencate, le cellule batteriche sono procariotiche (cioè prive di membrana nucleare) e sono prive di alcune strutture complesse tipiche degli eucarioti (reticolo endoplasmatico, mitocondri, apparato del Golgi, cloroplasti, centrioli e fuso mitotico).

Composizione Chimica delle cellule batteriche

il componente prioritario della cellula batterica è l’acqua, che rappresenta l’80% della massa cellulare ed il solvente in cui si disperdono le varie componenti, organiche (lipidi, proteine, polisaccaridi e acidi nucleici) ed inorganiche (minerali come sodio, zinco, fosforo, ferro, calcio e zolfo).

Tempo di generazione (fra una divisione cellulare e l’altra): è di 10-15 minuti tranne per il micoplasma tubercolosis che richede un tempo di generazione di 48 ore. 

Fonti di energia:

I batteri hanno a disposizione essenzialmente due fonti di energia:
E. luminosa ( Batteri FOTOSINTETICI)
E. da reazioni chimiche ( Batteri CHEMIOSINTETICI)
I batteri chemiosintetici producono energia attraverso
ossidazione di composti (perdita di elettroni).

METABOLISMO (= trasformazione ) somma di tutte le reazioni chimiche che avvengono nell’organismo o nella cellula.
CATABOLISMO (= distruzione) = degradazione da composti complessi a semplici; rilascio di energia.
ANABOLISMO (=salita) = biosintesi di molecole complesse da sostanze semplici; richiede energia.
Le reazioni cataboliche forniscono l’energia necessaria alle reazioni
anaboliche.

Quando le molecole complesse sono degradate (catabolismo), parte dell’energia viene trasferita ed immagazzinata in ATP, ed il resto viene dispersa sotto forma di calore. Quando molecole semplici vengono combinate fra loro per formare molecole complesse (anabolismo), l’ATP fornisce l’energia necessaria per la sintesi, rilasciando ulteriore calore.

SPORA
Alcuni bacilli Gram+ (Bacillus, Clostridium) quando sono in condizioni
sfavorevoli per la loro sopravvivenza possono formare SPORE.
La SPORA è una forma di resistenza che consente al batterio di sopravvivere in stato di inattività per tempi molto lunghi (anni, secoli – es. spore germinate da mummie egizie).
Resistente a essicamento, calore, disinfettanti chimici e fisici.
La spora è metabolicamente inerte e contiene molta meno acqua del batterio nella forma vegetativa.
Causa notevoli problemi, es. nella conservazione di prodotti alimentari, nella sterilizzazione di materiale chirurgico.
La spora si forma all’interno del batterio e si libera dopo la distruzione del batterio.
Nei bacilli il diametro della spora non supera quello del batterio, nei clostridi invece è maggiore.

Caratteristiche chimiche e molecolari
Le caratteristiche chimiche più appariscenti della spora sono:
1) disidratazione;
2) accumulo di Ca2+ e acido dipicolinico (può costituire più del 10%
della spora). Il Ca2+ è legato dall’ac. dipicolinico a formare il dipicolinato di calcio;
3) Nel citoplasma sono presenti proteine a basso peso molecolare
(SASP: small acid soluble proteins) con funzione di protezione e di
riserva
Un costituente della spora, assente nel batterio allo stato vegetativo, è l’acido dipicolinico, formato da un precursore del peptidoglicano.
RESISTENZA DELLA SPORA
Al calore:
– Estrema disidratazione del protoplasto
– Integritá rivestimenti: tuniche, corteccia
– Mineralizzazione del protoplasto (accumulo di ioni Ca2+, Mg2+, Mn2+, K+)
– Mantenimento struttura delle macromolecole: dipicolinato di Ca, che si
sostituisce all’acqua libera
All’ambiente:
– Barriera all’ingresso di sostanze e agenti chimici: tuniche e corteccia
– Protezione da danni causati dalle radiazioni ultraviolette: DNA batterico
rivestito da proteine (SASP)

 

Formazione della spora
La sporulazione è un processo complesso; si verifica di solito quando mancano le sostanze nutritive (es. alla fine della fase esponenziale di crescita). Inizia con la duplicazione del cromosoma batterico e la formazione di un setto asimmetrico ad un polo della cellula che divide le due molecole di DNA. 
La durata del processo di sporulazione è di circa 6-10 ore.
GERMINAZIONE
Si verifica naturalmente quando le condizioni ambientali ritornano favorevoli (umidità e nutrienti).

RIPRODUZIONE BATTERICA
I batteri hanno solo 1 molecola di DNA cromosomico

 non è necessaria la mitosi per dividere i prodotti di replicazione fra le cellule figlie, ma avviene per SCISSIONE SEMPLICE BINARIA DIVISIONE PER SCISSIONE SEMPLICE BINARIA Il cromosoma è ancorato alla membrana plasmatica 

1) Duplicazione del cromosoma e duplicazione del punto di attacco sulla membrana.
2) Accrescimento della membrana  allungamento della cellula partendo dalla zona fra le 2 molecole di DNA.
3) Formazione di un setto dalla membrana plasmatica in direzione centripeta
4) Sintesi della parete sul setto

References:

  1. Michele La Placa, Principi di Microbiologia Medica, Bologna, Società Editrice Esculapio, 2006, ISBN 88-7488-013-8.

A proposito di dottvolpicelli

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