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Olimpia Pepe » 5.La parete cellulare dei procarioti


La struttura della parete cellulare

La parete cellulare

Nel 1884 Christian Gram mise a punto in modo empirico una colorazione differenziale di enorme importanza scientifica che prese il nome di colorazione di Gram. Solo nel M. Salton (1952) e C. Weibull (1953) svilupparono i metodi di isolamento e purificazione delle pareti cellulari che permisero di evidenzare la complessità di tali strutture e di chiarire la funzione di parete e membrana.

La parete cellulare dei Gram positivi ha una struttura di aspetto alquanto uniforme, con uno spessore di 10-80 nm, mentre quella dei Gram negativi appare costituita da due strati ben distinguibili più sottili di quella di un batterio Gram positivi (Fig.1 e 2).

Le analisi chimiche hanno dimostrato che la parete dei batteri Gram positivi é costituita per il 40-90 % del suo peso secco, di peptidoglicano (Fig. 2a) associato ad acidi teicoici e polisaccaridi.

Lo strato più interno della parete dei Gram negativi é uno strato molto sottile di peptidoglicano, mentre quello più esterno e costituito da una membrana detta esterna (outer membrane; Fig. 2b).

Lez. 5, Fig. 1 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-27 pag 75 vol.1

Lez. 5, Fig. 2 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-27 Vol. inglese


Il peptidoglicano

Struttura del glican tetrapeptide del peptidoglicano

Porzione o filamenti polisaccaridici detti “glicano, mureina o mucopeptide batterico” costituiti dalla sequenza alternata di due carboidrati azotati: acido N-acetil muramico e N-acetil glucosamina legati da legame ß1-4 glicosidico (di lunghezza variabile da 10 ad 80 unità del disaccaride ripetuto).

Al gruppo carbossilico dell’NAM (etere lattico di glucosammina) é legata una catena peptidica composta da 4 aminoacidi D- e L- alternati, tre dei quali non sono normalmente presenti nelle proteine (acido D-glutammico, D-alanina e acido meso-diamminopimelico). L’L-lisina, in posizione tre é spesso sostituita dall’acido meso-diamminopimelico (Fig. 3).

L’enzima idrolitico Lisozima è in grado di lisare le cellule batteriche distruggendo le pareti cellulari.

Lez. 5, Fig. 3 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-29 Vol. inglese


La catena peptidica

La catena peptidica del peptidoglicano

I tipi di aminoacidi variano tra i diversi gruppi di eubatteri ed infatti sono noti oltre 100 chemiotipi di mureine.

L’L-lisina, in posizione tre é spesso sostituita dall’acido meso-diamminopimelico (Fig. 4). Entrambi sono diaminoacidi (contengono due gruppi amminici) e presentano un gruppo amminico libero che permette di ottenere un legame peptidico con un’altra catena aminoacidica di un filamento di peptidoglicano adiacente (legame crociato), attraverso legame diretto interpeptidico o ponte peptidico (Fig. 5).

Lez. 5, Fig. 4 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-28 pag 76 vol.1

Figura 5. Rete bidimensionale del peptidoglicano dei batteri Gram+ e Gram-

Figura 5. Rete bidimensionale del peptidoglicano dei batteri Gram+ e Gram-


I legami crociati

Formazione dei legami crociati

Le catene delle subunità di peptidoglicano sono legate tra loro da legami crociati o trasversali peptidici tra un gruppo carbossilico di aminoacido in posizione 4 (D-alanina terminale), con un gruppo amminico di un aminoacido in posizione 3 di una catena adiacente.

Quindi nei batteri Gram negativi il legame crociato è diretto (mDpm-diretto; legame trasverso o interpeptidico) (Fig. 6a) mentre nei Gram positivi esso è costituito da un ponte aminoacidico (ponte pentaglicinico) (Fig. 6b).

I legami crociati peptidici donano rigidità e robustezza alla parete e, quindi, alla cellula.

Lez. 5, Fig. 6 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-30 Vol. inglese


La parete dei Gram positivi

Il peptidoglicano nei Gram positivi rappresenta circa il 40-90 % del peso secco della parete che appare, a livello ultrastrutturale, più omogenea e notevolmente più spessa (10-80 nm) (Fig. 7).

La parete dei Gram positivi contiene spesso ponti interpeptidici.

In essa sono presenti gli acidi teicoici e lipoteicoici: polimeri formati da 30 o più unità ripetute di alcoli polivalenti (glicerolo e ribitolo) tenuti insieme da gruppi fosfato (Fig. 8). Possono affondare una estremità nello strato lipidico (lipoteicoici) o essere presenti all’esterno del peptidoglicano conferendo carica negativa ai batteri (Fig. 7 e 8).

Lez. 5, Fig. 7 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-31 Vol. inglese

Figura 8. Acidi teicoici in Bacillus subtilis e Lactobacillus sp.

Figura 8. Acidi teicoici in Bacillus subtilis e Lactobacillus sp.


La parete dei Gram negativi

La parete dei Gram negativi risulta di gran lunga più complessa rispetto a quella dei Gram positivi (Fig. 9).

Al di sopra della membrana citoplasmatica é presente un strato sottile (1-3 nm), spesso monomolecolare o bimolecolare, di peptidoglicano che possiede un grado relativamente basso di legami trasversi (Fig. 9).

Più esternamente si trova una struttura tipica dei batteri Gram negativi detta membrana esterna (7-8 nm).

Le due strutture sono separate da uno spazio periplasmico (da 1 a 71 nm) composto da una sostanza gelatinosa più che liquida. Tale spazio contiene proteine prepote all’assunzione dei nutrienti (enzimi idrolitici).

La membrana eterna ha lo spessore e l’ultrastruttura di una membrana unitaria. E’ costituita da un doppio strato lipidico contenente fosfolipidi e proteine (Fig. 10)

Figura 9. Rivestimento cellulare di un batterio Gram negativo

Figura 9. Rivestimento cellulare di un batterio Gram negativo

Figura 10. La membrana esterna dei Gram negativi

Figura 10. La membrana esterna dei Gram negativi


Le proteine funzionali

Le proteine funzionali della memebrana esterna

La membrana esterna è dotata di una certa permeabilità che é assicurata dalla presenza di proteine specifiche dette Porine che permettono il passaggio di piccole molecole come il glucosio o altri monosaccaridi (Fig. 11).

Esistono tipi di porine specifiche che permettono e facilitano l’entrata di determinate sostanze. La “maltoporina” (LmaB) permette l’entrata del disaccaride maltosio e di maltodestrine.

La membrana esterna dei Gram negativi contiene la proteina di Braun o lipoproteina mureinica, una piccola lipoproteina amfipatica legata covalentemente al peptidoglicano e collegata con la parte idrofoba alla membrana esterna.

Serve,quindi, ad ancorare il peptidoglicano alla membrana esterna (Fig. 11).

Lez. 5, Fig. 11 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-35 Vol. inglese


Il lipopolisaccaride

L’LPS della membrana esterna

Nella zona più esterna é presente un fosfolipide unico il lipopolisaccaride unico (LPS), grossa molecola contenente lipidi e carboidrati, costituita anch’essa da una porzione idrofoba che penetra nella porzione centrale idrofoba della membrana ed una idrofila che si trova sulla superficie esterna (Fig. 12). E’ costituito di tre regioni distinte:

1) il Lipide A, composto da un disaccaride fosforilato (ß1, 6-D glucosammina) a cui sono legati residui di acidi grassi.

2) nucleo polisaccaridico o core R legato al lipide A e costituito da una catena oligosaccaridica contenente zuccheri di struttura insolita (es. Abe, abequosio; KDO, acido chetodeossioctonico).

3) catena laterale O o antigene O, corta catena polisaccaridica costituita da molte unità ripetute tetra o penta saccaridiche. L’antigene O é facilmente riconosciuto dagli anticorpi dell’ospite.

Figura 12.  Composizione chimica dell’LPS

Figura 12. Composizione chimica dell'LPS


Proprietà della membrana esterna

Limite esterno del periplasma, regione compresa tra la membrana cellulare e quella esterna e contenente enzimi digestivi.

Barriera di permeabilità aumentando la resistenza ad agenti tossici, tipiche difese dell’ospite come lisozima, β-lisine, proteine leucocitarie, antibiotici, sali biliari ed enzimi digestivi. Dona probabilmente impermeabilità a molecole idrofobe tossiche come alcuni coloranti (verde brillante, eosina, blu di metilene) che vengono utilizzati nella preparazione di certi terreni selettivi.

Presenta una superficie esterna con numerose cariche negative, condizione importante per evitare la fagocitosi e l’azione del complemento.

La membrana esterna però non può costituire una barriera al passaggio di tutte le sostanze.

Endotossica per l’uomo e gli animali soprattutto per la presenza del lipide A dell’LPS.

Le pareti degli Archea

La parete cellulare degli Archea presenta una struttura piuttosto variabile.

Possono possedere uno pseudopepetidoglicano caratterizzato dalla presenza di acido N-talosaminuronico al posto dell’acido N-acetilmuramico e legame beta 1-3 al posto di quello 1-4 (Fig. 13).

Altri Archea come gli alofili, non hanno pseudopeptidoglicano ma pareti composte da polisaccaridi, glicoproteine e proteine. A volte possono contenere abbondanti residui di solfato (Halococcus). Il più comune tipo di parete degli Archea è lo strato paracristallino o strato S o S-layer un involucro di natura proteica (alofili estremi, metanogeni e gli ipertermofili).

Figura 13. Pseudopeptidoglicano degli Archea

Figura 13. Pseudopeptidoglicano degli Archea


Differenze tra la parete dei Gram + e Gram -

Figura 14. Differenze strutturali tra la parete cellulare dei Gram positivi e dei Gram negativi

Figura 14. Differenze strutturali tra la parete cellulare dei Gram positivi e dei Gram negativi


Riepilogo delle differenze strutturali

Figura 15. Riepilogo delle differenze strutturali tra la parete cellulare dei Gram positivi e dei Gram negativi

Figura 15. Riepilogo delle differenze strutturali tra la parete cellulare dei Gram positivi e dei Gram negativi


Funzioni della parete cellulare

Permette il passaggio di nutrienti ma non funge da barriera osmotica selettiva.

Dona la forma tipica e la rigidità alla cellula.

Esperimento di Weibull: cellule prive di parete in seguito a trattamento con lisozima, perdono la loro forma originaria e si trasformano in protoplasti sferici in ambiente isotonico (Fig. 16b).

Protegge dalla pressione osmotica.

Esperimento di Weibull: quando una sospensione di protoplasti viene diluita (mezzo ipotonico), si verifica una immediata lisi osmotica dei protoplasti (Fig. 16a).

Inoltre, è essenziale all’accrescimento ed alla divisione cellulare.

Lez. 5, Fig. 16 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-32 Vol. inglese


La Gram reazione

La colorazione di Gram

Nel 1884 Chistian Gram mise a punto in modo empirico una colorazione differenziale di enorme importanza scientifica che prese il nome di colorazione di Gram.

E’ detta colorazione differenziale in quanto consente di fare una distinzione tra i batteri Gram positivi e Gram negativi.

L’azione della soluzione di alcool-acetone nei Gram positivi agisce sui polisaccaridi determinando il restringimento dei pori ed in tal modo il violetto é trattenuto nella cellula (step 3, Fig. 17).

I Gram negativi invece subiscono l’azione decolorante in quanto l’alcool-acetone scioglie i lipidi e aumenta la già maggiore porosità della parete e, quindi, le cellule rilasciano il colorante (cristal violetto) e appaiono decolorate.

Un colorante di contrasto, safranina o fucsina, colorerà le cellule decolorate in rosso (step 4, Fig. 17; Fig. 18).

Figura 17. Procedura della colorazione di Gram

Figura 17. Procedura della colorazione di Gram

Figura 18. Osservazione al microscopio di  Gram positivi (viola) e Gram negativi (rossi)

Figura 18. Osservazione al microscopio di Gram positivi (viola) e Gram negativi (rossi)


I materiali di supporto della lezione

Perry et al., Cap. 4

Madigan et al., Cap. 4

La parete cellulare

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