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Olimpia Pepe » 7.Le inclusioni cellulari dei procarioti


Il citoplasma

Organizzazione e composizione della matrice citoplasmatica

La matrice citoplasmatica é interposta tra la membrana citoplasmatica ed il nucleoide, é particolarmente ricca di acqua (circa 70-80% della massa batterica é ricca di acqua).

Struttura : proteine formanti un citoscheletro importante per la divisione cellulare; presenza di macromolecole proteiche (50 % del peso secco della cellula), acidi nucleici, ioni, polisaccaridi di riserva, ribosomi e granuli; presenza anche dei plasmidi e il nucleoide.

Il materiale contenuto all’interno della membrana citoplasmatica può essere suddiviso in area citoplasmatica, di aspetto granulare e ricca di RNA (ribosomi), area cromatica o nucleare (ricca di DNA o nucleoide) e porzione liquida con sostanze nutritive in soluzione.

Al microscopio elettronico appare come una massa informe ricca di ribosomi.

Il citoplasma è, inoltre, la sede di importanti funzioni metaboliche cellulari quali la sintesi proteica e la glicolisi anaerobica.

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).

Figura 1. Struttura del nucleoide in Bacillus fastidiosus

Figura 1. Struttura del nucleoide in Bacillus fastidiosus

Figura 2. Duplex circolare chiuso covalentemente (superavvolto)

Figura 2. Duplex circolare chiuso covalentemente (superavvolto)


Inclusioni citoplasmatiche

Granuli o inclusioni citoplasmatiche

All’interno del citoplasma di alcune specie batteriche, in funzione delle condizioni di crescita, possono essere presenti granuli o inclusioni citoplasmatiche di diversa composizione generalmente costituiti di materiale di riserva.

  • GRANULI DI LIPIDI (POLIMERI DELL’ACIDO BETA-IDROSSIBUTIRRICO)
  • GRANULI DI POLISACCARIDI (GLICOGENO e AMIDO)
  • GRANULI DI ZOLFO (SOLFOBATTERI)
  • GRANULI DI FERRO (FERROBATTERI)
  • GRANULI DI POLIFOSFATO

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).

Figura 3. Granuli di polifosfato in Pseudomonas aeruginosa

Figura 3. Granuli di polifosfato in Pseudomonas aeruginosa


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.

Fig 4. Struttura chimica (a) e microfotografia (b) dei granuli di  PHB in Rhodospirillum sodomensis

Fig 4. Struttura chimica (a) e microfotografia (b) dei granuli di PHB in Rhodospirillum sodomensis


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.

Figura 5. Rosetta del solfobatterio Thiotrix che mostra granuli di zolfo gialli

Figura 5. Rosetta del solfobatterio Thiotrix che mostra granuli di zolfo gialli

Figura 6. Granuli di zolfo giallo brillanti nel più grande batterio conosciuto Thiomargarita

Figura 6. Granuli di zolfo giallo brillanti nel più grande batterio conosciuto Thiomargarita


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).

Figura 7. Numerose vescicole gassose trasparenti formano un vacuolo gassoso

Figura 7. Numerose vescicole gassose trasparenti formano un vacuolo gassoso

Figura 8. Esperimento del martello e del tappo

Figura 8. Esperimento del martello e del tappo


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).

Figura 9. Clorosomi in Clorobium

Figura 9. Clorosomi in Clorobium

Figura 10. Organizzazione di un clorosoma in un solfobatterio verde

Figura 10. Organizzazione di un clorosoma in un solfobatterio verde


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).

Figura 11. Carbossisomi in Thiobacillus neapolitanus

Figura 11. Carbossisomi in Thiobacillus neapolitanus

Figura 12. Magnetosoma e particelle di magnetite in Magnetospirillum magnetotacticum

Figura 12. Magnetosoma e particelle di magnetite in Magnetospirillum magnetotacticum


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).

Tabella 1. Confronto tra i ribosomi presenti nelle cellule procariotiche ed eucariotiche

Tabella 1. Confronto tra i ribosomi presenti nelle cellule procariotiche ed eucariotiche

Figura 13. Struttura dei poliribosomi legati all’mRNA

Figura 13. Struttura dei poliribosomi legati all'mRNA


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)

Figura 14. La spora in Clostridium tetani

Figura 14. La spora in Clostridium tetani

Figura 15. Disposizione della spora: centrale(a), subterminale e terminale (b, c e d)

Figura 15. Disposizione della spora: centrale(a), subterminale e terminale (b, c e d)


Caratteristiche dell’endospora

Tabella 2. Differenze tra cellula vegetativa e endospora

Tabella 2. Differenze tra cellula vegetativa e endospora


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).

Lez. 7, Fig. 16 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-49 Vol. inglese


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).

Lez. 7, Fig. 17 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-48 Vol. inglese


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).
Figura 18. Fasi della sporogenesi (a). Stadio iniziale (b) e spora matura nello sporangio (c)

Figura 18. Fasi della sporogenesi (a). Stadio iniziale (b) e spora matura nello sporangio (c)


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).
Figura 19. Germinazione di una spora con liberazione del protoplasto

Figura 19. Germinazione di una spora con liberazione del protoplasto


I materiali di supporto della lezione

Perry et al., Cap. 20

Madigan et al., Cap. 4

Inclusioni cellulari, ribosomi speciali, organuli e endospora

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