La cellula batterica Giovanni Di Bonaventura, Ph.D - AA 2019-2020 CI "Microbiologia e Microbiologia Clinica" - struttura & funzioni
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La cellula batterica Giovanni Di Bonaventura, Ph.D. CI «Microbiologia e Microbiologia Clinica» CdS Medicina e Chirurgia Università “G. d’Annunzio”, Chieti-Pescara AA 2019-2020
Batteri
Dimensioni cellulari
I batteri presentano elevata variabilità nelle dimensioni: M. pneumoniae
▪ Dimensioni medie Procarioti: 0.5 - 2.0 µm
▪ Mycoplasma pneumoniae (0.2 µm)
▪ Thiomargarita namibiensis (750 µm)
▪ Dimensioni medie Eucarioti: 2 - 200 µm
▪ Emazia: 7.5 μm
▪ Il metabolismo e, quindi, la crescita batterica sono
funzione inversa delle dimensioni:
tasso metabolico = 1/k x (d)2 T. namibiensis
Le ridotte dimensioni della cellula batterica consentono una
penetrazione più efficiente dei nutrienti che raggiungono
velocemente ogni parte del batterio. Gli Eucarioti, di contro,
necessitano, a tal fine, di strutture ed organelli.
▪ Rapporto superficie/volume
▪ batteri = 12 μm2 / 4 μm3 = 3
▪ cellula eucariotica = 1.5
Batteri
Principali morfologie cellulari
I batteri presentano elevata variabilità anche nella
forma ed organizzazione:
▪ Forme (morfologie) cellulari caratteristiche:
sferica: cocchi (Staphylococcus spp., Streptococcus
spp., Neisseriaceae)
cilindrica: bacilli (Escherichia coli, Pseudomonas
aeruginosa)
corta e rigonfia: coccobacilli (Corynebacterium)
curva: vibrioni (Vibrio cholerae)
spirale: spirilli (Spirillum)
a molla: spirochete (Borrelia, Treponema)
filamentosa: (Streptomyces)
variabile: pleomorfi (Bacteroides, Corynebacterium)
Batteri
Organizzazione cellulare
L’organizzazione cellulare dipende dalla modalità di divisione
e dai rapporti che le cellule mantengono successivamente:
COCCHI:
singoli
diplococchi: in coppia (Neisseriaceae)
catene (Streptococcus)
tetradi (gruppi di 4 cellule)
sarcina: forma cubica (formata da 8-64 cellule)
ammassi: forma irregolare (Staphylococcus)
BACILLI:
catene (streptobacilli) (Bacillus anthracis)
palizzata (Corynebacterium)
Cellula batterica
Struttura
La struttura cellulare dei batteri è quella tipica dei Procarioti (pro: prima, kàryon:
nucleo)
La cellula batterica comprende tipicamente:
▪ Componenti fondamentali: necessari per la sopravvivenza e la riproduzione
cellulare (parete cellulare, membrana cellulare, ribosomi, inclusioni, nucleoide,
matrice citoplasmatica, spore)
▪ Componenti accessori: non sempre presenti in quanto svolgono funzioni
accessorie (non vitali); tra questi, i determinanti di virulenza (flagelli, pili,
capsula, glicocalice, plasmidi)
Cellula batterica
▪ Struttura sottile (spessore 8 nm) che separa il citoplasma dall’ambiente
▪ Composta da proteine (60%), lipidi (40%), carboidrati
Membrana Citoplasmatica
▪ Barriera altamente selettiva: concentra i nutrienti al suo interno ed
espelle all’esterno le sostanze di rifiuto
▪ Struttura trilaminare organizzata a “mosaico fluido”,
doppio strato fosfolipidico con una componente proteica
i fosfolipidi contengono regioni idrofiliche (glicerofosfato) ed idrofobiche (acidi
grassi) mediante le quali si auto-assemblano
le proteine sono associate alla membrana od integrate (transmembrana)
flessibile (viscosità ~ olio leggero), per movimento dei fosfolipidi (laterale,
rotazione)
▪ Rispetto alla membrana eucariotica, quella procariotica:
non contiene steroli (es. colesterolo), presenti solo nei Micoplasmi e nei batteri
metanotrofi; sostituiti da opanoidi aventi stessa funzione di stabilizzazione e
compattamento
è più ricca in proteine
presenta proteine non glicosilate
Struttura
▪ Barriera di permeabilità: regola il trasporto di nutrienti/prodotti metabolici:
Membrana Citoplasmatica
- senza utilizzo di energia (trasporto PASSIVO, secondo gradiente
di concentrazione):
• diffusione semplice (osmosi)
• diffusione facilitata (mediata da specifici canali o proteine carrier)
- con utilizzo di energia (trasporto ATTIVO, contro gradiente di
concentrazione):
• mediato da proteine carriers
• traslocazione di gruppo
▪ Sito di ancoraggio per proteine coinvolte nel
trasporto, nella chemotassi ed in reazioni
bioenergetiche
▪ Sito di conservazione dell’energia: produzione
ed utilizzo di forza motrice protonica, durante la
respirazione (fosforilazione ossidativa)
Funzioni
▪ Interviene nella divisione cellulare,mediante la
formazione di mesosomi segrega i due
cromosomi nelle rispettive cellule “figlie”
▪ Sede di proteine coinvolte nella sintesi del
petidoglicano e nella trasduzione (all’interno della
cellula) del segnale (ambientale)
Membrana Citoplasmatica
Trasporto passivo
Non richiede utilizzo di energia in quanto la sostanza si muove secondo
gradiente di concentrazione (high-to-low).
▪ La diffusione semplice riguarda piccoli composti idrofobici (glicerolo), gas
(O2), oppure solo H2O (osmosi).
▪ La diffusione facilitata utilizza un canale (aspecifico) od un carrier (specifico)
di natura proteica.Quando differenti concentrazioni di soluto sono
separate da una membrana semi-permeabilie,
H2O si sposta per raggiungere una condizione
isotonica ([soluto]extra = [soluto]intra).
Trasporto Passivo
La membrana cellulare è sensibile a variazioni bariche. Tuttavia, la parete
cellulare dei microrganismi garantisce l’integrità cellulare opponendosi alle
variazioni della pressione osmotica:
▪ cellula in soluzioni ipertoniche
([soluto]extra > [soluto]intra):
contrazione della membrana per
fuoriuscita di H2O dalla cellula
Osmosi
▪ cellula in soluzioni ipotoniche
([soluto]extra < [soluto]intra):
membrana turgida per ingresso di
H2O nella cellula.a) Mediato da “carriers”
Trasporto Attivo
Il trasporto è mediato da proteine trasportatrici (carriers) ed avviene contro
gradiente elettrochimico richiedendo, quindi, utilizzo di energia (ATP):
▪ Trasporto “uniport”: 1 sostanza viene trasportata in un’unica direzione
▪ Trasporto “antiport”: 2 sostanze (una generalmente H+) sono co-
trasportate in direzioni opposte
▪ Trasporto “symport”: 2 sostanze sono co-trasportate nella stessa
direzioneLa molecola trasportata viene modificata chimicamente durante
l’attraversamento della membrana.
Esempio: sistema P-transferasico in E. coli (24 proteine)
▪ utilizzo dell‘energia derivante dal fosfoenol-piruvato (PEP)
▪ almeno 4 proteine necessarie al trasporto di un carboidrato (enzima I
e HPr aspecifici, enzimi IIa e IIb specifici)
▪ fosforilazione a cascata
b) Traslocazione di gruppo
Trasporto AttivoSistema ABC (ATP-Binding Cassette), composto da 3 proteine:
▪ proteina periplasmatica
▪ proteina trans-membrana
▪ ATP-asi
▪ proteina periplasmatica mobile nel periplasma e dotata di elevata affinità
(fino a 10-6 M) per il substrato
▪ oltre 200 tipologie di sistemi ABC; specificità per composti organici
(aminoacidi, carboidrati) ed inorganici (solfati, fosfati)
▪ presente non soltanto nei Gram- ma anche nei Gram+ (PBP ancorato alla
Trasporto Attivo
c) ABC transporter
membrana citoplasmatica)
▪ energizzato da idrolisi ATPIl mesosoma è una invaginazione della membrana citoplasmatica di notevoli
dimensioni e forma irregolare.
Membrana Citoplasmatica
Presenza di diversi e voluminosi mesosomi, soprattutto nei batteri Gram+.
Appaiono come strutture (lamellari, tubulari) concentriche in prossimità del
nucleoìde, delle estremità cellulari o della zona di formazione del setto.
Svolge importanti funzioni:
▪ durante la divisione cellulare, fornisce attacco
al DNA facilitando la separazione dei due
cromosomi e la produzione del setto trasverso
(mesosomi settali)
▪ contengono gran parte dei citocromi e degli
enzimi respiratori (mesosomi respiratori)
▪ contengono enzimi coinvolti nella sintesi dei
Mesosoma
componenti di parete (mesosomi biosintetici)Citoplasma
▪ gel colloidale (80% H2O, 20% sali-proteine)
▪ H2O: solvente per composti organi/inorganici e componenti funzionali
citoplasmatiche
▪ proteine, zuccheri, lipidi, sali (Na, Ca, Mg, Fe, fosfati, solfati, ecc.)
Strutture citoplasmatiche
Cromosoma
▪ singolo (aploidia più efficiente vs diploidia: crescita più veloce; le
mutazioni permettono un adattamento più veloce all’ambiente)
▪ DNA bicatenario, circolare (lineare in Streptomyces, Borrelia)
▪ localizzato in un’area chiamata “nucleoìde” che non è delimitata da
membrane (assenza di nucleo)
▪ lunghezza rilevante (1-1.4 mm), superavvolto, non associato ad istoniPlasmidi
▪ DNA circolare extra-cromosomico (piccole dimensioni)
▪ singoli o presenti in più copie
▪ non essenziali per la crescita ed il metabolismo batterico
Strutture citoplasmatiche
▪ codificano per fattori di virulenza (es. antibiotico-resistenza)
Ribosomi
▪ 60% RNA-ribosomale, 40% proteine
▪ differiscono da quelli eucariotici per numero (10.000/cellula) e
dimensioni (sub 50S: 34 proteine, RNA 5S-23S; sub 30S: 21 proteine,
RNA 16S) (target selettivo per terapia antibiotica)
Assenza di compartimenti intracellulari separati da membrane
▪ mancanza di nucleo (trascrizione e traduzione accoppiate), mitocondri,
complesso di Golgi, reticolo endoplasmaticoInclusioni e granuli
▪ Corpi intracellulari con funzione di “riserva” energetica: sono utilizzati
nei casi di carenza/assenza di fonti energetiche ambientali
▪ Variabili in dimensioni, numero e contenuto
Strutture citoplasmatiche
▪ Tipologie:
- glicogeno
- poli-β-idrossibutirrato (Bacteria, Archaea)
- vescicole gassose per il galleggiamento (Cyanobacterium)
- granuli di zolfo e fosfato (granuli metacromatici in Corynebacterium
diphtheriae)
- magnetosomi (Fe3O4; magnetotassi)Cellula batterica
La parete cellulare è presente in gran parte dei Procarioti, dove circonda la
membrana citoplasmatica.
(1 di 4)
▪ eccezioni: Archea (generalmente assente; alcune specie presentano
uno pseudoglicano), Micoplasmi (privi di parete), Micobatteri
(peptidoglicano a struttura caratteristica)
Presente anche negli Eucarioti (es. miceti) ma con struttura più semplice.
Struttura del peptidoglicano
E’ formata da strati sovrapposti di peptidoglicano (mureina), una
struttura rigida a forma di rete in cui catene polisaccaridiche lineari
sono unite tra loro mediante legami crociati di natura peptidica.
Parete cellulare
Sono note due differenti organizzazioni di parete cellulare che
differenziano i batteri Gram-positivi da quelli Gram-negativiLa caratteristica unità di ripetizione (glican-tetrapeptide) del
peptidoglicano è formata da:
(2 di 4) ▪ catena polisaccaridica: formata da unità disaccaridiche ripetute (in
alternanza) di N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico
(NAM), legate tra loro da un legame β(1,4) glicosidico.
▪ peptide: tetrapeptide di sintesi enzimatica, legato a NAM e formato da D-
Struttura del peptidoglicano
ed L-aminoacidi (uniti mediante legami peptidici):
- L-alanina --- acido D-glutamico --- aa bibasico* --- D-alanina
* la sequenza aminoacidica è specie-specifica, sebbene presenti sempre in posizione 3 un
aminoacido bibasico: L-lisina (Gram +), oppure acido meso-diaminopimelico (Gram-).
Parete cellulareNella struttura di base del peptidoglicano, le catene individuali sono adiacenti
e tenute insieme, a livello dei tetrapeptidi, da legami crociati peptidici.
(3 di 4)
Il legame crociato peptidico interessa il diamminoacido in posizione 3 (di
una catena) e D-alanina in posizione 4 (dell’altra catena) e può essere:
▪ indiretto, mediante ponte pentaglicinico (Gram+)
Struttura del peptidoglicano
▪ diretto, mediante legame peptidico tra acido meso-diaminopimelico
e D-alanina (Gram-)
Parete cellulare
Elevata variabilità nella composizione dei
legami crociati tetrapeptidici: noti più di
100 tipi di peptidoglicano.NUMERO DI LEGAMI CROCIATI (cross bridges)
Oltre che a livello strutturale, la parete dei Gram+ differisce da quella dei Gram-
(4 di 4)
anche per il numero dei legami crociati presenti:
▪ nei Gram+, tutti i residui di NAM sono legati ad un tetrapeptide;
▪ nei Gram-, i legami sono meno frequenti; maglie più larghe e, quindi,
minore rigidità parietale.
Struttura del peptidoglicano
Parete cellulareLa parete cellulare è indispensabile per la struttura, replicazione e
soravvivenza della cellula batterica perchè:
▪ le conferisce rigidità:
- impedisce la lisi od il collasso della cellula, in risposta a variazioni
della pressione osmotica (pressione interna: 5-20 atm !)
protegge la cellula da insulti meccanici
Parete cellulare
-
- determina la forma dei batteri
▪ contribuisce al determinismo della patogenicità batterica:
- protegge la cellula da sostanze tossiche (es. detergenti, antibiotici,
disinfettanti)
- può interferire con la fagocitosi
Funzioni
- è mitogena per i linfocitiLa parete cellulare dei microrganismi aiuta a preservare l’integrità cellulare
opponendosi alle variazioni della pressione osmotica:
Parete cellulare
FunzioniTuttavia, la parete cellulare può rappresentare anche un vulnus per la cellula
batterica, in quanto:
▪ è sensibile al lisozima (presente nel lacrime, muco, saliva; prodotto anche dai
batteri) che attacca lo scheletro glicanico a livello del legame β(1-4) glicosidico
▪ lisandosi (es. in presenza di penicillina, lisozima), genera cellule
osmoticamente sensibili che non lisano soltanto in ambiente isotonico:
- protoplasto (Gram+), cellula priva di residui di parete cellulare
- sferoplasto (Gram-), cellula dotata di frammenti di parete cellulare
- forme L (da Lister Institute, dove furono osservate per la prima volta):
sferoplasto/protoplasto in grado di crescere; reversibili (allontanamento
dell’induttore) od irreversibili; responsabili della cronicizzazione dell’infezione
Parete cellulare
(antibiotico-R, immuno-elusione)
▪ è riconosciuta come target da alcuni antibiotici (β-lattamici)
▪ può essere riconosciuta dal sistema immune (immunogenicità)
▪ ha attività pirogena (aumento della temperatura dell’ospite a livelli sub-ottimali
per la crescita di batteri e virus)
Funzioni
Protoplasto Sferoplasto B. subtilis: fase LFormata da peptidoglicano multistratificato e ispessito
▪ 150-500 Å; fino a 40 strati concentrici; 40-80% peso secco
Acidi teicoici (dal greco τεικος= muro):
▪ polimeri di poliol- (glicerolo, ribitolo) fosfati
solubili in H2O
▪ legati covalentemente al peptidoglicano
▪ determinano la carica netta di superficie;
legano Ca2+ e Mg2+, portandoli nella cellula
▪ funzione di adesine (per batteriofagi)
▪ immunogeni (principali antigeni di superficie,
Parete cellulare
determinanti del sierotipo)
Acidi lipoteicoici:
▪ acidi teicoici contenenti un acido grasso
Gram-positivi
▪ ancorati (mediante l’acido grasso) alla membrana citoplasmatica
▪ nell’uomo possono svolgere attività endotossica
▪ funzione di adesine (associati a proteina M)
▪ immunogeni (determinanti del sierotipo batterico)
Carboidrati:
▪ carboidrato C (criterio classificativo negli streptococchi)Proteine:
▪ proteina M (S. pyogenes: antifagocitaria, adesività a mucose)
▪ proteina A (S. aureus: lega Fc anticorpale inibendo la formazione
dell’immuncomplesso e la attivazione del Complemento)
Struttura altamente polare
▪ si oppone al passaggio di molecole idrofobiche (es. sali biliari, tossici
per la cellula)
▪ consente il passaggio di composti idrofili (carboidrati, aminoacidi)
▪ lega alte quantità di cationi (Na+, Mg+):
Parete cellulare
▪ garantisce la giusta osmolarità per la funzionalità enzimatica (sintesi
peptidoglicano) di membrana
▪ conferisce maggiore resistenza, vs Gram-, ad elevate concentrazioni
saline (alofilia)
Gram-positivi
Struttura rigida
▪ consente sopravvivenza in ambiente isotonico,
opponendosi alla lisi cellulare osmoticaParete cellulare Gram-positivi
Parete cellulare:
Gram-negativi: parete e membrana esterna
▪ strutturalmente e chimicamente più complessa vs Gram+, è formata da un sottile
(20-30 Å; 2-3 strati concentrici; 5% peso secco) strato di peptidoglicano
▪ assenza di acidi teicoici e lipoteicoici
Membrana esterna:
▪ si trova all’esterno della parete cellulare
Parete cellulare
▪ legata al peptidoglicano mediante la frazione proteica di lipoproteine
▪ struttura bilaminare ma asimmetrica: strato esterno formato da lipopolisaccaride
(LPS), molecola anfipatica
▪ si oppone al passaggio di molecole
idrofobiche (catene laterali idrofiliche LPS), ma
anche di grosse molecole idrofiliche (doppio
strato fosfolipidico).
▪ protegge la cellula da alcuni antibiotici
▪ presenta adesine per batteriofagi
▪ le proteine sono qualitativamente conservate;
alcune sono presenti in elevate concentrazioni,
come quelle formanti i poricanale (porine) ed i
sistemi di trasporto (sistemi di secrezione)Le porine sono organizzate in omotrimeri a formare canali (pori) che permettono il
passaggio di sostanze idrofiliche attraverso la membrana esterna:
Membrana esterna (Gram-)
▪ porine aspecifiche (molecole con PM < 600 Da)
- OmpF, OmpC: diffusione di ioni ed altre piccole molecole idrofile
- PhoE: indotta da “phosphate starvation”, consente il passaggio di
molecole idrofile cariche negativamente
▪ porine specifiche (molecole con PM > 600 Da)
- Btu: vitamina B12
- LamB: indotta da maltosio ed altre maltodestrine nel mezzo
- FhuA: uptake del ferro
Ruolo nella antibiotico-resistenza:
▪ la sostituzione di aminoacidi neutri con altri carichi che si proiettano
all’interno del poro perturba il normale passaggio degli antibiotici
▪ in presenza di antibiotico, viene diminuita/eliminata l’espressione delle
porine implicate nel suo uptake cellulare
Funzione recettoriale per:
▪ fagi, batteriocine, componenti del Complemento, anticorpi
Determinanti di patogenicità, in quanto promuovono:
▪ l’adesione alle cellule dell’ospite
Porine
▪ l’invasività delle cellule dell’ospite
▪ l’attività citotossicaIl lipopolisaccaride (LPS o endotossina) è il fattore di virulenza che caratterizza
l’azione patogena dei Gram-
Formato da 3 componenti:
Membrana esterna (Gram-)
▪ Lipide A (gruppo-specifico): glicosfosfolipide; frazione endotossica ancorata alla
membrana esterna tramite acidi grassi; con i suoi gruppi P laterali unisce LPS
adiacenti; altamente conservato.
▪ Core (specie-specifico): polisaccaride ramificato (9-12 zuccheri, tra cui i peculiari
acido cheto-deossi-octonico ed un eptoso).
▪ Antigene O (tipo-specifico): polisaccaride lineare (50-100 unità ripetute, 4-7
zuccheri/unità); determina il sierotipo (2.000 in Salmonella, 150 in E. coli).
Lipopolisaccaride (LPS)LPS rappresenta una importante struttura di superficie che consente la
interazione dell'agente patogeno con il suo ospite. Infatti, LPS:
▪ media la adesione agli epiteli (colonizzazione);
Membrana esterna (Gram-)
▪ interferisce con la fagocitosi;
▪ è sede di determinanti antigenici (immunogeno);
▪ se liberato in un ospite sensibile, dà luogo a numerosi effetti tossici
(ENDOtossina batterica)
EFFETTI BIOLOGICI DELL'ENDOTOSSINA
▪ Pirogeno (capacità di indurre febbre anche a basse dosi)
▪ Attiva vari tipi cellulari con produzione di interleuchine/chemochine:
LPS: effetti biologici
▪ macrofagi (aumento della fagocitosi e capacità battericida,
produzione di monochine attive su vari altri tipi cellulari e tessuti)
▪ linfociti B (proliferazione e differenziazione in plasmacellule)
▪ cellule endoteliali
▪ piastrine
▪ granulociti
▪ Induce infiammazione
▪ Induce vasodilatazione con conseguente ipotensione e shock
▪ Attiva il Complemento
▪ Stimola la coagulazione del sangue (reazione di Schwartzman o CID:
coagulazione intravasale disseminata)Membrana esterna (Gram-)
LPS: effetti biologici
RUOLO DELL'ENDOTOSSINA NELLO SHOCK ENDOTOSSICO
Shock endotossico: grave quadro clinico che può accompagnare le setticemie da
batteri Gram-; caratterizzato da febbre, ipotensione, acidosi, insufficienza renale e
respiratoria e, nelle fasi finali, da coagulazione intravasale disseminata (reazione
di Schwartzman; CID/DIC) ed insufficienza d’organo.
Frequenza: 1% dei pazienti ospedalizzati sviluppa sepsi; 20-30% nei reparti di
terapia intensiva.
Esito fatale: 40-60% dei pazienti, nonostante la terapia antibiotica.Lo spazio periplasmatico è la zona compresa tra:
▪ membrana citoplasmatica e peptidoglicano (Gram+)
▪ membrana citoplasmatica e membrana esterna (Gram-)
Contiene il periplasma, di consistenza gelatinosa, che occupa circa il 20-
40% del volume totale cellulare.
Spazio periplasmatico
Nello spazio periplasmatico si trovano:
▪ proteine per il trasporto di zuccheri,
aminoacidi, fosfato, vitamine.
▪ enzimi (Gram-)* per l’acquisizione di nutrienti,
la degradazione di grosse molecole o DNA
fagico (proteasi, lipasi, nucleasi), il trasporto
elettronico, la sintesi del peptidoglicano, la
inattivazione di antibiotici (es. β-lattamasi vs
antibiotici β-lattamici).
▪ oligosaccaridi di membrana
Lo spazio periplasmico aumenta di volume in
caso di ridotta osmolarità ambientale.
* nei Gram+, gli esoenzimi sono analoghi funzionali degli enzimi periplasmatici; tuttavia,
la incapacità di poterli concentrare nello spazio periplasmatico richiede la sintesi di
elevate concentrazioni e, quindi, di un aumentato «costo energetico».Parete cellulare Gram-negativi
Parete cellulare Gram+ vs Gram-
Parete cellulare Gram+ vs Gram-
In alcuni casi particolari, la parete cellulare è assente oppure ha una
composizione/struttura peculiari:
▪ Micoplasmi: non presentano parete cellulare; presenza di steroli nella
membrana citoplasmatica.
▪ Micobatteri: dotati di parete cellulare a struttura complessa (simile a
quella dei Gram+) in cui il peptidoglicano è legato covalentemente ad un
polimero di arabinogalattano e circondato da uno strato di lipidi
complessati con le cere, formate dagli acidi grassi a lunga catena (acidi
micolici) dotate di potente azione adiuvante la patogenicità. Lipidi con
Parete cellulare
acidi micolici sono presenti anche nei corinebatteri ed in Nocardia.
Casi particolari
Micoplasmi
Micobatteri: parete cellulareCellula batterica Strutture esterne (accessorie)
Glicocalice: rivestimento esterno alla cellula, presente in Gram+ (es. S.
pneumoniae, S. mutans, B. anthracis) e Gram- (es. N. meningitidis, P. aeruginosa,
H. influenzae); generalmente formato da polisaccaridi etero/omo-polimerici,
ad eccezione di B. anthracis (composizione proteica: poli-D-glutamato)
▪ Tipologia:
- capsula: altamente organizzata, fortemente adesa
- strato mucoso (slime): diffuso (uniforme), scarsamente adeso, lasso
Strutture esterne: glicocalice
▪ Sintesi regolata da fattori:
- genetici (geni codificanti la capsula), ambientali (chimico-fisici)
▪ Funzioni: necessaria per la sopravvivenza in condizioni non ottimali:
- ambientali (irraggiamento, disidratazione, starvation)
Cellula batterica
- nell’ospite: elusione della terapia antibiotica (limita l’ingresso di molecole
idrofobiche tossiche, quali antibiotici, disinfettanti, detergenti) (es. P.
aeruginosa in FC)
- nell’ospite: elusione della risposta immune (es. fagocitosi in S.
pneumoniae)
- consente la colonizzazione di superfici inerti (Staphylococcus spp, P.
aeruginosa su protesi) o tessuti (S. mutans su smalto dentale) mediante
formazione di biofilmE’ possibile evidenziare
al microscopio la
presenza di glicocalice
previa colorazione con
Strutture esterne: glicocalice inchiostro di china
Cellula batterica
Biofilm: dinamica di formazioneStrutture esterne: glicocalice
P. aeruginosa: fenotipo «non mucoide» vs «mucoide» P. aeruginosa: abbondante produzione di glicocalice in un ceppo «mucoide»
Cellula batterica
▪ Nei pazienti affetti da Fibrosi Cistica (FC), le infezioni polmonari causate da
P. aeruginosa rappresentano la principale causa di mortalità.
▪ P. aeruginosa può essere isolato dal polmone FC in due fenotipi:
▪ «mucoide»: la presenza di una abbondante capsula di alginato conferisce
una spiccata propensione ad aderire all’epitelio formando biofilm, comunità
sessili in grado di esibire una resistenza ai comuni antibiotici e disinfettanti,
fino a 1.000 volte maggiore vs controparte non adesa;
▪ «rugoso»: è proprio di batteri sprovvisti di capsula che vivono in forma
libera (non sessile) e per questo più facilmente aggredibili dalla terapia.
▪ Diagnosticare la presenza del fenotipo mucoide fornisce un’informazione
importante perché fortemente predittiva di una infiammazione-infezione
cronica polmonare. L’infezione causata da un ceppo «rugoso» può infatti
essere eradicata facilmente dai polmoni dii bambini con FC. Al contrario, è molto
più difficile eradicare l’infezione sostenuta da un fenotipo «mucoide».Il flagello conferisce motilità attiva ad alcune specie batteriche.
Composizione e struttura. Il flagello è di natura proteica ed è composto da 3 parti:
▪ filamento: struttura elicoidale che protrude dal soma cellulare; formato da
monomeri di flagellina (antigene H; ted. hauch, pellicola), proteina la cui
composizione aminoacidica è specie-specifica
▪ uncino: membrana (guaina) ricurva
▪ corpo basale: àncora il flagello alla cellula e fornisce energia per il suo
movimento. Composto da anelli proteici (almeno 15 proteine):
- Gram-: 4 anelli, ossia L (LPS), P (parietale), S (al di sopra della membrana
Strutture esterne: flagelli
cellulare), M (in corrispondenza della membrana cellulare)
- Gram+: 2 anelli (P, M)
Cellula battericaSintesi: regolata da circa 20 geni; i monomeri proteici (flagellina) vengono secreti
all’esterno della cellula, quindi si auto-assemblano in presenza di un “nucleatore
(sali, proteine).
Struttura interna:
▪ Il flagello procariotico (batterico) ha struttura a singolo filamento
▪ Il flagello eucariotico o assonema (protozoi) ha struttura “9 + 2” (9 coppie
periferiche di microtubuli che circondano 2 microtubuli singoli)
Il numero e l’organizzazione dei flagelli sono variabili:
Strutture esterne: flagelli
▪ monotrìca: singolo, ad un’estremità (P. aeruginosa, V. cholerae)
▪ lofotrìca: ciuffo di flagelli, ad una estremità (H. pylori)
Cellula batterica
▪ amfitrìca: un flagello ad ogni estremità (spirochete)
▪ peritrìca: flagelli disposti attorno alla cellula (P. mirabilis, E. coli)
Assonema: organizzazione 9+2Movimento
▪ Viene energizzato da idrolisi di ATP (anaerobi) o dal potenziale di membrana
durante fosforilazione ossidativa (aerobi)
▪ Il flagello guida il batterio in una direzione (movimento direzionale), in
risposta ad uno stimolo esterno:
- stimolo chimico: chemotassi (positiva o negativa)
- stimolo luminoso: fototassi
▪ Il segnale attiva un movimento rotatorio di 360° in senso antiorario (run, in
avanti con direzione) od orario (tumble, rotolamento per interruzione del run)
Strutture esterne: flagelli
▪ In presenza di un gradiente “attraente” (positivo), il numero dei tumbles si
riduce favorendo runs più lunghe
Cellula battericaRilevanza clinica
▪ Il flagello è un fattore di virulenza poichè consente al batterio:
▪ motilità autonoma, generalmente in un mezzo liquido:
▪ migrazione di E. coli da intestino alle vie urinarie
▪ penetrazione del film mucoso gastrico da parte di H. pylori
▪ migrazione verso il circolo ematico (disseminazione)
▪ invasione cellulare (E. coli, S. typhimurium)
▪ adesione a superfici abiotiche/biotiche (formazione di biofilm), tramite
adesine site alla estremità terminale
Strutture esterne: flagelli
▪ adesione intercellulare (clusters batterici intra- od inter-specifici)
Cellula batterica
Tuttavia, il flagello rappresenta anche un vulnus per la cellula batterica.
Essendo immunogeno viene infatti riconosciuto dal sistema immune dell’ospite
mediante anticorpi diretti verso gli antigeni flagellari H.
L’interazione Ab-Ag infatti:
▪ facilita la fagocitosi ed il successivo killing intra-fagocitario (S. typhimurium)
▪ in presenza di Complemento, facilita il killing diretto del batterio
▪ interferisce con la adesione batterica alle mucose
▪ immobilizza il batterio, compromettendone la
capacità di disseminareEsistono 3 principali tipologie di motilità:
▪ Swimming:
▪ flagellare, consente il movimento in un mezzo liquido
▪ Twitching
▪ composito (flagelli + pili tipo IV), consente un movimento per “strisciamento”
su superfici (mucose, abiotiche)
▪ Swarming
▪ flagellare, indotta da contatto con superfici aventi appropriata viscosità
▪ differenziamento di cellule vegetative in cellule swarm, lunghe ed
Strutture esterne: flagelli
iperflagellate
▪ significato diagnostico («sciamaggio» di Proteus spp su agar)
Cellula battericaFimbria (lat., fimbriae: frangie), pilo (lat., pilus: pelo):
▪ più corti (0.2-2 um), sottili e numerosi vs flagella, sono disposti uniformemente
▪ formati da polimeri di pilina (1-2 tipi, specie-specifiche)
Funzioni:
▪ adesione intercellulare od a superfici [abiotiche (protesiche) e biotiche
(glicoproteine di membrane)] tramite adesine site alla estremità terminale (E. coli,
Strutture esterne: fimbrie o pili
N. gonorrhoeae).
▪ in E. coli: curli (formati da monomeri di curlina), essenziali per formazione biofilm
▪ in azione combinata con i flagelli, consentono alla cellula di “strisciare” su superfici
solide (twitching)
▪ pili sessuali (pili F): mediano il trasferimento intercellulare di materiale genetico
durante la coniugazione
Cellula battericaFilamento assiale:
▪ presente nelle spirochete (dal greco speira: spirale)
▪ struttura periplasmica, formata da flagelli intracellulari siti tra la parete
Strutture esterne: filamenti assiali
cellulare e la membrana esterna
▪ contraendosi, impartisce alla cellula un movimento alternato di torsione e
flessione
Cellula batterica
Treponema pallidum (spirocheta),
agente eziologico della sifilideEndospora:
▪ forma di resistenza che prende
origine dalla cellula vegetativa in
presenza di condizioni ambientali
sub-ottimali per la moltiplicazione
cellulare
▪ assicura la protezione e la
dispersione della specie
▪ implicazioni cliniche, tecniche,
sociali e terapeutiche
Cellula batterica
EndosporeQuesto materiale non può essere distribuito, modificato o pubblicato né in forma cartacea, né su un sito, né utilizzato per motivi pubblici o commerciali. E’ possibile utilizzare il materiale solo per motivi personali e non commerciali, purché ogni copia di questo materiale preservi tutti i diritti di copyright e di proprietà intellettuale, sempre a seguito di formale richiesta rivolta all’Autore (Prof. Giovanni Di Bonaventura; gdibonaventura@unich.it)
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