Strutture di una cellula procariotica

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1 Strutture di una cellula procariotica Strutture fondamentali: Parete cellulare o peptidoglicano Nucleo Citoplasma Membrana citoplasmatica Mesosomi. Strutture facoltative: Capsula Pili Flagelli Spore

2 Struttura della cellula procariotica

3 Parete cellulare Caratteristiche Struttura più importante e caratteristica dei batteri Delimita esternamente la cellula batterica, al di fuori della membrana citoplasmatica Struttura fondamentale per garantire l integrità cellulare Posseduta universalmente da tutti i batteri ad eccezione del genere Mycoplasma (assenza di parete) e del genere Chlamydia (parete di diversa composizione) Struttura esclusiva dei batteri, non ha corrispondenza negli eucarioti; i miceti hanno parete cellulare, ma costituita da polisaccaridi e proteine

4 Parete cellulare o peptidoglicano Lo spessore della parete cellulare: Il peptidoglicano o mureina nei Gram+ varia dai A. Nei Gram- varia dai A.

5 Funzioni della parete cellulare Protezione meccanica. Protezione chimica Protezione osmotica. Permeabilità aspecifica. Conferimento della forma. Funzione immunitaria. Funzione di virulenza. Funzioni accessorie di ancoraggio. Responsabile della reazione di Gram.

6 Funzioni della parete cellulare Protezione dalla lisi Azione del Lisozima, Azione della Penicillina: Protoplasti (Gram+) assenza di parete. Sferoplasti (Gram-) presenza di parete.

7 Struttura tridimensionale del peptidoglicano Il componente fondamentale della parete è un polimero, il peptidoglicano che è costituito da 3 parti: a) da uno scheletro portante di natura polisaccaridica; b) da corte catene peptidiche; c) da legami crociati che si stabiliscono tra le corte catene peptidiche.

8 Struttura del peptidoglicano A) lo scheletro portante contiene 2 zuccheri: N-acetylglucosamina (NAG) e l Nacetylmuramico (NAM) in sequenza alternata uniti da legami beta 1-4 glicosidici. Il Lisozima idrolizza questo legame beta 1-4.

9 Struttura del peptidoglicano B) La seconda parte del polimero, consta di una corta catena tetrapeptidica legata al 4 gruppo carbossilico dell N-acetylmuramico. Gli aminoacidi che la compongono sono: 1) L-alanina 2) D-acido glutammico 3) L-ornitina-- l-aminobutirrico- L- omoserina. 4) D-alanina. Durante la biosintesi del peptidoglicano la catena non è tetra ma un pentapeptide e termina con un dimero D-ala-D-ala.

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11 Struttura del peptidoglicano C) Le Transpeptidasi sono gli enzimi che regolano la formazione dei legami trasversi. Questi enzimi vengono inibiti dalle penicilline. I legami crociati si riscontrano tra il 3 ed il 4 aa. di una successiva catena tetrapeptidica. Es. Ponte pentaglicinico nello S.aureus. Nei Gram+ i legami crociati sono più numerosi rispetto ai Gram-.

12 Acidi teicoici e lipoteicoici Sono presenti nei Gram+. Sono catene di glicerolo o ribitolo con legami fosfodiesterici legati alla parete (peptidoglicano ) o alla membrana citoplasmatica. Hanno funzione antigenica. Hanno funzione d adesività.

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15 Parete cellulare Gram- Caratteristiche E resa più complessa rispetto ai Gram+ dalla presenza di una membrana posta esternamente ad un sottile strato di peptidoglicano Costituenti : A partire dall esterno all interno, i Gram negativi presentano: a) La membrana esterna b) Lo spazio periplasmico c) Il peptidoglicano (sottile). La Lipoproteina di Braun unisce la membrana esterna al peptidoglicano

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18 Spazio periplasmico: E lo spazio tra l interno della membrana esterna e l esterno della membrana citoplasmatica. Contiene : Enzimi idrolitici (proteasi, fosfatasi, lipasi, nucleasi ed enzimi degradanti i carboidrati). Esoenzimi : come collagenasi, ialuronidasi, proteasi e beta lattamasi. Proteine di trasporto delle sostanze nutritive e proteine costituenti il sistema di chemiotassi.

19 Membrana esterna I sistemi di trasporto presenti sulla membrana esterna sono di 6 tipi : I, II,III,IV,V,VI Il sistema di tipo III è considerato un fattore di virulenza.

20 La membrana esterna La membrana esterna è come un rigido sacco intorno alla cellula. Essa mantiene la struttura batterica ed è una barriera impermeabile a grosse molecole e a molecole idrofobiche. Ha funzione di protezione alle condizioni ambientali avverse.

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22 La membrana esterna presenta 2 strati: l interno è costituito da un doppio strato di fosfolipidi dove sono immerse le proteine. Esternamente si trova il Lipopolisaccaride (LPS). Il Lipopolisaccaride consta di 3 parti: Lipide A, Core polisaccaridico, Catena laterale O.

23 Membrana esterna Le proteine sono: Le porine e le OMP (proteine della membrana esterna). Le porine : permettono la diffusione di molecole idrofiliche di dimensioni inferiori a 700Da attraverso la membrana. La membrana esterna e il canale delle porine permettono il passaggio di metaboliti e di piccoli antibiotici idrofili, ma la membrana esterna è una barriera per antibiotici di grandi dimensioni o idrofobici e proteine come il lisozima.

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25 Parete cellulare Gramlipopolisaccaride Sostituisce il foglietto fosfolipidico più esterno, consiste di tre porzioni: 1) una porzione lipidica (lipide A) rappresenta l endotossina cioè la frazione tossica. Al lipide A è legata una porzione polisaccaridica proiettata all esterno della membrana e composta a sua volta da due parti: a) una catena di zuccheri (parte centrale o core) con struttura costante in tutti i Gram negativi appartenenti alla stessa specie b) una lunga catena polisaccaridica di composizione differente nei batteri appartenenti alla stessa specie con spiccate proprietà antigeniche (antigene O)

26 Endotossine ed altri componenti della parete cellulare La presenza di componenti della parete cellulare batterica agisce come un segnale di infezione che, attraverso diversi e potenti meccanismi di allarme avverte l organismo affinchè attivi i sistemi di protezione dell ospite. Le macromolecole presenti in queste strutture (PAMP) modelli molecolari associati al patogeno, si legano alle molecole del recettore (TLR) e stimolano la produzione di citochine.

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29 Endotossine ed altri componenti della parete cellulare Durante una infezione da Gram+ vengono rilasciate il peptidoglicano e i suoi prodotti di degradazione, inoltre gli acidi teicoici e gli acidi lipoteicoici, i quali stimolano la risposta pirogenica (febbre) di fase acuta endotossino-simile. IL lipopolisaccaride (LPS) prodotto da batteri Gram- è un attivatore delle reazioni infiammatorie e della fase acuta ed è detta endotossina.

30 Endotossine ed altri componenti della parete cellulare Durante l infezione, i batteri Gram negativi rilasciano l endotossina, che si lega a specifici recettori /CD14,TLR4) presenti sui macrofagi, sulle cellule B e su altre cellule e stimola la produzione e il rilascio di citochine di fase acuta quali: IL-1,IL-6,IL-8, TNF, le prostaglandine.

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32 Endotossine a bassa concentrazione: l endotossina stimola l insorgere delle risposte protettive come la febbre, la vasodilatazione e l attivazione delle risposte infiammatorie e immunitarie. Tuttavia i livelli di endotossina nel sangue dei pazienti con sepsi (batteri nel sangue) dovuta a gram negativi possono essere molto alti e la risposta sistemica contro di essi può essere eccessiva, provocando uno shock settico o addirittura la morte.

33 Alte concentrazioni di endotossina: possono attivare la via alternativa del complemento e la produzione di anafilotossine (C3a,C5a), contribuendo alla vasodilatazione e all aumento di permeabilità dei capillari. In combinazione con TNF e IL-1 ciò può causare ipotensione e shock. La coagulazione intravascolare disseminata (CID) può essere il risultato dell attivazione delle vie della coagulazione. La febbre alta, le petecchie (lesioni cutanee dovute a dilatazione dei capillari) e i sintomi potenziali di shock (provocato da un forte aumento della permeabilità capillare) associati all infezione da N. meningitidis

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35 Effetto del rilascio di citochine

36 Funzioni biologiche dell endotossina: Febbre, Pirogenicità. Letalità nei topi. Leucopenia, Leucocitosi. Attivazione del complemento. Nausea, Vomito, Diarrea Ipotensione, Ipoglicemia. CID. Piastrinopenia Shock da endotossine Collasso cardiocircolatorio Morte ( in alcuni casi)

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39 Citoplasma Il citoplasma batterico è estremamente semplice, privo di molti elementi morfologici che caratterizzano il citoplasma delle cellule eucariotiche quali: reticolo endoplasmico apparato del Golgi mitocondri lisosomi vacuoli

40 Citoplasma : composizione H2O Componenti inorganici: sodio, magnesio, calcio, ferro etc Macromolecole organiche Polimeri Le sostanze organiche contribuiscono maggiormente a generare una elevata pressione osmotica che contraddistingue l interno della cellula. Tale pressione è maggiore nei Gram+ e minore nei Gram-

41 Citoplasma (chaperones) Sono molecole che si legano alle proteine denaturate. Sono importanti perché permettono ai procarioti e agli eucarioti di resistere a stress, alte T, radiazioni (HSP). Proteggono le cellule batteriche dal danno termico. Servono come trasporto di proteine attraverso la membrana.

42 Inclusioni citoplasmatiche Occasionalmente nel citoplasma sono presenti granulazioni (inclusioni) citoplasmatiche, di diversa composizione aventi il significato di accumuli di materiale di riserva. Glicogeno Sono costituiti da: Acido β-idrossi-butirrico Polisaccaridi Polifosfati I granuli di polifosfati sono detti metacromatici presentano il fenomeno della metacromasia si colorano diversamente rispetto al colore utilizzato. Sono particolarmente abbondanti in Corynebacterium diphteriae costituendone un carattere distintivo importante utile per l identificazione.

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44 Membrana citoplasmatica Struttura: Modello di Singer a mosaico fluido. Proteine e Lipidi. Esternamente idrofilica. Internamente idrofobica. Dimensioni 5-10 nm. Doppio strato di fosfolipidi dove sono immersi 2 tipi di proteine : Proteine periferiche (20-30%) Proteine integrali (70-80%).

45 Membrana citoplasmatica Funzioni: Barriera permeabile selettiva. Barriera meccanica. Trasporto di sostanze selettive. Sede di processi metabolici (respirazione, fotosintesi, biosintesi). Separa l interno della cellula con l ambiente cellulare. Presenza di chemiorecettori.

46 Membrana citoplasmatica Trasporto di sostanze nutritive: Trasporto passivo (diffusione facilitata); Trasporto attivo; Traslocazione di gruppo; Trasporto del ferro (siderofori) Sistemi ABC

47 Trasporto passivo Le molecole si muovono da una regione ad alta concentrazione ad una più bassa, senza dispendio di energia. Grazie a proteine carrier dette permeasi.

48 Trasporto attivo Le molecole vengono trasportate contro gradienti di concentrazione (con consumo di energia). Le molecole trasportate non subiscono modificazioni. L energia è una energia legata alla forza protonmotrice (PMF).

49 Traslocazione di gruppo E un processo dove le molecole trasportate nella cellula vengono modificate chimicamente. I sistemi di traslocazione sono il PEP ed il PTS. PEP (fosfoenolpiruvato) saccarosio. PTS (fosfotransferasi ) glucosio, fruttosio, mannitolo, saccarosio.

50 Distribuzione del ferro Presenza di siderofori capaci di legare il ferro, importante per la crescita dei batteri. Proteine dell ospite in competizione con i siderofori sono la Trasferrina, Lattoferrina.

51 Il trasporto mediato dai sistemi ABC Utilizza proteine periplasmatiche,una proteina transmembranaria che funziona da canale di trasporto e un terzo componente citoplasmatico che fornisce l energia necessaria, ottenuta per l idrolisi dell ATP; da questo deriva l acronimo ABC (ATPbinding cassette)

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53 Il nucleo non è delimitato da membrana nucleare. Appare come un materiale filamentoso, costituito da DNA immerso nel citoplasma non separato da alcuna membrana Nucleo Forma bicatenaria, circolare, singola (cromosoma). Si osserva al m.e. Si divide per replica semiconservativa. Presenza di plasmidi. Molecole circolari di DNA bicatenario, replica autonoma, liberi o integrati nel cromosoma, 2 tipi coniugativi e metabolici.

54 Il citoplasma batterico non presenta né mitocondri, né cloroplasti. I mesosomi sono invaginazioni della membrana plasmatica. Forma vescicolare, tubulare, lamellare. Si dividono in: Mesosomi settali: aiutano la replica del cromosoma batterico. Mesosomi lamellari sono implicati nel processo di secrezione. Mesosomi