Olimpia Pepe » 7.Le inclusioni cellulari dei procarioti

Nucleoide o nucleoplasma

Il Nucleoide

Tutti i batteri sono sprovvisti di un nucleo vero e proprio dotato di membrana nucleare che lo separi dal citoplasma, ma posseggono una regione in cui è addensato il materiale cromosomale, denominato “nucleoide” (Fig. 1).

Il nucleoide è la principale struttura in cui è localizzata l’informazione genetica delle cellule procariotiche e può avere posizione centrale (nei Gram positivi) o periferica (nei Gram negativi) (Fig. 1).

Esso è costituito, generalmente, da una sola molecola di DNA (doppia elica, circolare, covalente chiusa e super avvolta): il cromosoma batterico (peso molecolare di circa 2×10⁹) che può contenere da 3 a 6×10³ geni.

Il DNA è fortemente avvolto e tenuto raggomitolato grazie alla presenza di proteine che lo organizzano in anse ad alta superelicità (Fig. 2).

Riserve di sostanze non azotate

Granuli di amido

I granuli di amido, disseminati in modo alquanto uniforme nel citoplasma, sono rivestiti da membrana e svolgono una funzione di riserva di carbonio e energia.

E’ un polimero ramificato formato da unità di glucosio unite da legami α 1-4 (catene lineari) e β 1-6 (catene ramificate).

Granuli di polifosfato

In numerosi microrganismi, alla fine della fase di crescita, si accumulano granuli di polifosfato che rappresentano riserva intracellulare di fosfato.

Sono anche detti granuli metacromatici di volutina o corpi di Babés-Ernest (si colorano di rosso con i coloranti blu come il blu di toluidina ed il blu di metilene) (Fig. 3).

Riserve di carbonio

I granuli di poli-beta-idrossibutirrato (PHB)

Strutture di deposito di componenti di natura lipidica.

Sono state riscontrate nelle cellule in fase di sporulazione.

Sono riserva di carbonio ed energia.

Sono presenti in alcune specie di Bacillus, Pseudomonas, Azotobacter, Spirillum (Fig. 4) e Alcaligenes.

Riserve di zolfo

Granuli di zolfo

Inclusioni citoplasmatiche di zolfo si ritrovano nei solfobatteri rossi (che usano l’H₂S come donatore di elettroni) e nei solfobatteri filamentosi non fotosintetici (che usano l’H₂S come ossidabile di energia) (Fig. 5 e 6).

Svolgono la funzione di riserva di zolfo inorganico, riserva energetica per la cellula batterica.

Vacuoli gassosi

Vacuoli e vescicole gassose

Sono delle formazioni tubulari vuote, costituite da vescicole proteiche (Fig. 7).

Sono presenti in molti procarioti acquatici.

Garantiscono il galleggiamento della cellula microbica, permettendole di disporsi nei livelli d’acqua dove la luce, il tenore d’ossigeno ed i nutrienti consentono il loro sviluppo.

Nell’esperimento del martello e del tappo condotta da C. Klebhan nel XX secolo, una delle due bottiglie fu chiusa con un tappo e fu dato un colpo secco con un martello in modo da aumentare la pressione idrostatica dell’acqua nella bottiglia determinando, così, il collassamento dei vacuoli, e, quindi, la perdita dell’aria. I cianobatteri in seguito a ciò perdevano la loro gallegiabilità (Fig. 8).

Clorosomi

Apparato fotosintetico dei batteri verdi (solfobatteri verdi e batteri verdi non sulfurei che utilizzano H2S, S o H come accettore finale di elettroni) (Fig. 9).

Sono costituiti da strutture vescicolari a forma di sigaro poste in strato immediatamente al di sotto delle membrana citoplasmatica, a livello del sito di un centro di reazione.

La membrana vescicolare è una matrice formata da polipeptidi e lipidi e non costituisce un complesso di membrana (Fig. 10).

Contengono i pigmenti fotosintetici (batterioclorofille C, D, E).

I carbossisomi e i magnetosomi

I carbossisomi

Sono corpi poliedrici di circa 100 nm (da 50 a 500 nm).

Presenti nei cianobatteri, nei nitrificanti e nei tiobacilli (Fig. 11).

Tali strutture sono il luogo dove viene fissata la CO₂ o si accumula l’enzima carbossilasi (ribulosio 1-5 -difosfato carbossilasi).

I magnetosomi

I batteri magnetotattici (BM) utilizzano i magnetosomi per orientarsi nel campo magnetico del Pianeta. Un BM dell’emisfero nord si orienta e nuota verso il nord; viceversa un BM nell’emisfero sud.

Sono formati da membrane di natura proteica ripiene di un composto ferroso, piccoli cristalli di magnetite (Fe₃O₄).

Le cellule orientano se stesse e si muovono secondo gradiente magnetico.

Sono presenti nei microrganismi microaerofili o negli anaerobi obbligati (Fig. 12).

I ribosomi

I ribosomi sono strutture comuni a tutte le cellule, sia procariote che eucariote, sulle quali avviene la sintesi proteica.

Sono costituiti essenzialmente da RNA e proteine.

Il ribosoma, sia nei batteri che negli eucarioti, è formato da due subunità, la cui interazione è indispensabile per il processo della sintesi proteica (Tab. 1).

Sono immersi nel citoplasma ma anche adesi alla membrana citoplasmatica, sparsi o raggruppati in poliribosomi (Fig. 13).

La spora

Molti batteri Gram positivi (es. Bacillus, Clostridium, Sporosarcina) e Gram negativi (es. Desulfotomaculum e Thermoactynomices), in particolari fasi del loro ciclo vitale possono presentarsi in forma quiescente, metabolicamente non attiva detta spora.

Essa è un organo di conservazione della specie che si genera in risposta a stress ambientali quali carenza di acqua o nutrienti.

Resistono alla temperatura, all’essiccazione, alle radiazioni ultraviolette e alla disinfezione.

Molti batteri patogeni sono sporigeni (Fig. 14)

Batteri formanti endospore si trovano principalmente nei suoli, nei sedimenti acquatici e nei fanghi.

La posizione della spora nella cellula può essere un carattere tassonomico (Fig. 15)

Il core dell’endospora

Le proprietà del core dell’endospora

Il 15% del peso secco della spora è costituito da dipicolinato di calcio (Fig. 16) che riduce il quantitativo di acqua all’interno della spora.

La termoresistenza è conferita anche grazie alla disidratazione osmotica di cui è capace la spora: l’acqua che sta nel protoplasto viene assorbita dalla corteccia (cortex).

Contiene proteine core-specifiche (small acid-soluble spore protein) che hanno la funzione di stabilizzazione degli acidi nucleici, di contribuire alla resistenza alle radiazioni ultraviolette, all’essiccazione e al calore, e come fonte di carbonio ed energia per la formazione della cellula vegetativa (germinazione).

Struttura dell’endospora

Composizione della spora

Dall’esterno verso l’interno:

• esosporio strato lasso e sottile;
• tunica sporale una struttura composta da numerosi strati proteici che la rendono spessa ed impermeabile a molte sostanze chimiche (protegge la cellula da agenti dannosi esterni);
• corteccia o cortex che occupa circa la metà del volume della spora; é costituita da peptidoglicano che però presenta meno legami crociati e quindi una struttura più lassa rispetto a quella delle cellule vegetative;
• parete sporale che si trova immediatamente sotto la corteccia e circonda la parte centrale o nucleo delle spora;
• nucleo che contiene le normali strutture cellulari delle cellule vegetative (Fig. 17).

La sporogenesi

Processo di sporulazione

• Inizia con la cessazione della crescita microbica dovuta alla mancanza di nutrienti.
• Fase I: formazione di un filamento assiale costituito da materiale nucleare;
• Fase II: la membrana citoplasmatica si ripiega inglobando parte del materiale nucleare e forma un setto divisorio;
• Fase III: la membrana continua a crescere in modo da inglobare in una seconda membrana la spora immatura;
• Fase IV: si forma la corteccia che si sviluppo nell’interspazio fra le due membrane, si ha l’accumulo del calcio e dell’acido dipicolinico;
• Fase V: intorno alla corteccia si sviluppano vari strati proteici (tunica sporale);
• Fase VI: si ha infine la spora matura rifrangente e resistente al calore;
• Fase VII: enzimi litici che disintegrano lo sporangio e liberano la spora nell’ambiente (Fig. 18).

La germinazione

Germinazione della spora

Il passaggio della spora a cellula vegetativa avviene in tre stadi:

• Fase di attivazione: le spore per dar vita ad una nuova cellula (germinazione), generalmente, devono subire un trattamento termico (65-80°C) per alcuni minuti, che determina la cessazione dello stato di quiescenza della spora.
• Fase di germinazione: inizia con il rigonfiamento della spora, il riassorbimento o la rottura della tunica sporale; la spora diventa sensibile al calore ed aglii agenti dannosi, perde la sua tipica rifrangenza, rilascia i componenti cellulari e diventa metabolicamente attiva.
• Fase di esocrescita: il protoplasto fuoriesce dai resti della tunica sporale e sintetizza nuovi componenti cellulari, e si forma un nuovo batterio attivo (Fig. 19).