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Olimpia Pepe » 6.Le strutture esterne della cellula procariota: la capsula e i flagelli


Strati extracellulari

Alcuni procarioti sintetizzano degli strati extracellulari diversi:

Glicocalice: dalla capsula o dallo strato mucoso si diparte una rete polisaccaridica che collega i batteri tra loro e questi con la parete intestinale.

Limo: massa amorfa viscosa che circonda la cellula.

Guaine: strato esterno denso facilmente osservabile al microscopio ottico tipico dei batteri guainati che formano catene filamentose in ambiente acquatico (Fig. 1).

Strati mucosi: costituito da esopolimeri più dispersi e non aderenti alle cellule che li hanno prodotti ed escreti.

Involucri proteici o strati S: strato superficiale con struttura regolare, simile ad un pavimento di mattoni, costituito da proteine e glicoproteine presente negli archebatteri (Fig. 2).

Figura 1. Batterio guainato Spherotilus natans

Figura 1. Batterio guainato Spherotilus natans

Figura 2. Involucro proteico a trama fitta (Strati S)

Figura 2. Involucro proteico a trama fitta (Strati S)


La capsula

La capsula è uno strato di materiale viscoso di scarto tenacemente aderente all’involucro cellulare che circonda la parete cellulare che presenta notevole variabilità di spessore.

Struttura: omopolimeri o eteropolimeri di monosaccaridi, come esosi, acido uronico ed aminozuccheri.

Funzioni

Aderenza: capacità di aderire alle superfici solide acquatiche o a quelle dei tessuti delle piante o degli animali.

Protezione: difende da improvvisi cambiamenti di temperatura all’ essiccamento essendo ricca di acqua, evita l’attacco di virus batterici e di numerose sostanze tossiche idrofobe (Fig. 3).

Virulenza: Nelle specie patogene è un fattore di virulenza in quanto protegge la cellula dalla fagocitosi. La capsula può essere evidenziata mediante inchiostro di china (colorazione negativa), o con colorazioni specifiche (Fig. 4).

Lez. 6, Fig. 3 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-39 pag 83 vol.1

Figura 4. Colorazione negativa della capsula

Figura 4. Colorazione negativa della capsula


Le strutture di superficie

Le appendici della cellula

Alcuni procarioti sono in grado di sintetizzare appendici che si proiettano al di fuori della superficie della cellula come le fimbrie, i pili e i flagelli.

I flagelli (Fig. 5) sono prolungamenti citoplasmatici filiformi formati da flagellina, una proteina elastica.

Nei batteri presentano una struttura superficiale spiralata.

Sono capaci di attivi movimenti ondulatori o natatori a vite.

Dimensioni (15-20 μm, ∅ 12-20 nm).

Impartisce un movimento attivo di 50 μm/s.

Figura 5. Batterio con flagelli

Figura 5. Batterio con flagelli


Posizione dei flagelli

Organizzazione dei flagelli

I microrganismi procarioti si possono distinguere per la posizione e numero di flagelli:

  • monotrichi quando posseggono un unico flagello posto ad una estremità (flagello polare);
  • amfitrichi su entrambi i poli;
  • lofotrichi se posseggono un ciuffo polare ad uno od entrambi i poli;
  • peritrichi con flagelli distribuiti su tutta la superficie cellulare (Fig. 6).

La posizione dei flagelli sulla superficie cellulare è una caratteristica che può essere utile per la classificazione dei batteri.

Figura 6. Procarioti con diversa organizzazione dei flagelli

Figura 6. Procarioti con diversa organizzazione dei flagelli


Struttura dei flagelli

Strutturalmente i flagelli sono costituiti da tre porzioni distinte:

  • il filamento esterno alla cellula, che si proietta dalla superficie cellulare fino all’apice, formato da unità proteiche di flagellina;
  • il corpo basale, che è invece immerso nella cellula;
  • l’uncino, organo di ancoraggio del filamento al corpo basale costituito da una corta struttura centrale a bastoncino inserita in un sistema di anelli (Fig. 7).

I flagelli sono rotori elicoidali semirigidi che compiono un movimento rotatorio impartito alla base del flagello da un motore flagellare che opera in modo tale da far ruotare gli anelli P ed M in senso opposto l’ uno rispetto all’ altro.

L’energia necessaria è generata dalla forza protonmotrice.

Le proteina Mot, inserite nella membrana cellulare, fungono da motore flagellare mentre le proteine Fli fungono da invertore del motore.

Figura 7. Struttura del flagello di un batterio Gram negativo

Figura 7. Struttura del flagello di un batterio Gram negativo


Differenze nel corpo basale

Il corpo basale

Il corpo basale presenta una struttura complessa diversa nei Gram positivi e nei Gram negativi.

Nei Gram negativi presenta 4 anelli, due coppie, connessi ad un bastoncino centrale: gli anelli L e P più esterni sono legati al lipopolisaccaride (LPS) della membrana esterna e al peptidoglicano, rispettivamente, mentre gli anelli S e M sono connessi alla membrana citoplasmatica (Fig. 8a).

Nei Gram positivi sono presenti solo gli anelli S e M uno legato al peptidoglicano, l’altro alla membrana. Questa differenza dimostra che solo gli anelli S e M sono essenziali per la funzione flagellare (Fig. 8b).

Figura 8. Corpo basale in un batterio Gram negativo (a) e Gram positivo (b)

Figura 8. Corpo basale in un batterio Gram negativo (a) e Gram positivo (b)


Sintesi dei flagelli

Le molecole di flagellina sono sintetizzate a livello dei ribosomi in prossimità della membrana e migrano attraverso il filamento assemblandosi all’apice, aiutate nella sistemazione dalle proteine Cap (cappuccio) (Fig. 9).

L’allungamento è quindi apicale. L’anello MS viene sintetizzato per primo, poi l’uncino ed infine il cappuccio che guida la formazione del filamento (Fig. 10).

Le unità si aggregano spontaneamente senza l’intervento di enzimi specifici (autoassemblaggio) grazie alla loro polarità strutturale.

Polarità strutturale: le subunità di flagellina posseggono una polarità strutturale evidenziata al microscopio elettronico ovvero un’estremità arrotondata e l’altra é incavata.

Figura 9. Sintesi e autoassemblaggio delle unità di flagellina

Figura 9. Sintesi e autoassemblaggio delle unità di flagellina

Figura 10. Fasi della biosintesi dei flagelli

Figura 10. Fasi della biosintesi dei flagelli


La locomozione dei procarioti

Il movimento dei batteri

I batteri si muovono grazie alla rotazione dei flagelli.

Le cellule sono in grado di variare velocità e direzione come pure la frequenza di arresto e di avvio del movimento.

Batteri monotrichi (polari): il movimento antiorario dei flagelli monotrichi permette il movimento orario della cellula che quindi si muove in avanti (swimming). Cambio di direzione quando il flagello si blocca per un successivo cambio di rotazione in senso orario ed in tal modo la cellula si capovolge (capriola o tumbling) (Fig.12).

Batteri peritrichi: i flagelli si riuniscono in un fascio e si muovono in senso antiorario. Cambio di rotazione in senso orario mediante disgregazione del fascio di flagelli e cambio di direzione (capriola o tumbling) (Fig.11).

Negli spirilli i ciuffi flagellari polari ruotano nella stessa direzione e il cambiamento di direzione avviene con un’inversione di 180° del percorso precedente determinato dall’inversione del senso di rotazione dei ciuffi di flagelli.

Il movimento avviene per interazioni tra i dischi S e M: il disco M si muove liberamente nella membrana e consente il movimento mentre il disco S è fisso. Quando i due dischi vengono a contatto si ha il cambiamento di direzione.

Figura 11. Modalità del movimento dei procarioti con flagelli peritrichi

Figura 11. Modalità del movimento dei procarioti con flagelli peritrichi

Figura 12. Modalità del movimento dei procarioti con flagelli polari

Figura 12. Modalità del movimento dei procarioti con flagelli polari


Le risposte tattiche

La chemiotassi

I batteri mobili rispondono selettivamente a stimolazioni chimiche che risultano essere attrattive per certe sostanze (chemiotassi positiva) o repellenti per altre (chemiotassi negativa).

Le sostanze attrattive e repellenti sono captate da chemiorecettori (proteine leganti) o proteine metil-accettrici per la chemiotassi (MCP) che trasferiscono il segnale agli altri componenti del sistema chemiosensibile (proteine Che e componenti del motore del flagello).

In presenza di un attrattivo un batterio esegue meno capriole in modo da rimanere più a lungo nella zona favorevole, mentre in presenza di repellenti il numero di capriole aumentano. Il batterio si muove secondo gradiente cioé aumenta le capriole via via che il gradiente di concentrazione dell’attrattivo diminuisce o quando il gradiente del repellente aumenta (Fig. 13).

La chemiotassi può essere considerata come il motore chimico del sistema di risposta sensoriale che influenza la funzione del flagello.

Lez. 6, Fig. 13 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-61 pag 97 vol.1


Valutazione della chemiotassi

Dimostrazione della chemiotassi

Esperimenti eseguiti in substrato liquido contenente i batteri, nel quale era inserito un tubicino capillare contenente un attrattivo, mostravano che i batteri si muovevano verso la sostanza raccogliendosi intorno al tubicino (Fig. 14).

In substrato solido contenente sostanze attraenti se le cellule sono poste al centro della piastra, queste prima consumeranno i nutritivi in loco poi inizieranno a muoversi verso l’esterno per movimento centrifugo, seguendo un gradiente di attrazione da loro stessi creato via via che consumano l’attrattivo.

Se invece dell’attrattivo poniamo un disco di sostanze repellenti in una piastra contenente i microrganismi, essi si allontanano dal repellente creando un alone chiaro intorno al disco. Se entrambi attrattivi e repellenti sono presenti il batterio é in grado di scegliere la direzione più idonea per la propria crescita.

Lez. 6, Fig. 14 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-62 pag 98 vol.1


Fototassi, aerotassi e magnetotassi

Fototassi

Movimento verso zone in cui il “tipo di luce” è ottimale per il metabolismo cellulare (batteri fotosintetici). I batteri si concentrano alle lunghezze d’onda a cui i loro pigmenti fotosintetici assorbono meglio la luce (Fig. 15).

Aerotassi

Movimento verso zone in cui la concentrazione di ossigeno è ottimale per il metabolismo cellulare (aerobi, microaerofili, anaerobi obbligati)

Magnetotassi

Capacità di orientarsi nel campo magnetico terrestre.

Il Magnetosoma è una struttura provvista di parete costituita da Fe3O4.

Lez. 6, Fig. 15 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 4-63 pag 99 vol.1


Pili e Fimbrie

Pili

Molti batteri Gram- presentano alcune appendici filiformi brevi e sottili, più sottili dei flagelli e non coinvolte nella motilità cellulare (3-10 nm) (Fig. 16). Strutture tubulari costituite da subunità proteiche di pilina disposte ad elica che si formano a livello della membrana cellulare. Struttura non indispensabile alla vita del batterio. Non sono coinvolte nel movimento.

Funzioni:

  • Sono appendici di adesione (superfici e tessuti).
  • Possono essere coinvolti nel trasferimento di DNA tra due batteri (coniugazione batterica).

Fimbrie

Variabili in numero e distribuite su tutta la superficie cellulare. Costituite da una sola proteina idrofoba organizzata in struttura tubulare (Fig. 17). Conferiscono capacità adesive: cellula/cellula, cellula/substrato (crescita a forma di pellicola). Presentano proprietà antigeniche e possono essere coinvolte nei processi di patogenicità.

Figura 16. Pili e flagelli presenti superficialmente alla cellula batterica

Figura 16. Pili e flagelli presenti superficialmente alla cellula batterica

Figura 17. Pilo rivestito da virus in Escherichia coli

Figura 17. Pilo rivestito da virus in Escherichia coli


La coniugazione batterica

La coniugazione batterica è un meccanismo di trasferimento di materiale genetico attraverso contatto diretto tra una cellula batterica donatrice (F+) ad una cellula ricevente (F-), mediato da plasmidi trasmissibili (Fig. 18).

I plasmidi sono piccole molecole di DNA circolare a doppio filamento, presenti in natura nei batteri, di origine citoplasmatica e capace di autoreplicarsi (Fig. 19).

Questi elementi extracromosomici non sono essenziali per la vita del batterio, ma in particolari condizioni, gli possono conferire vantaggi selettivi (resistenza agli antibiotici e metalli pesanti, luminescenza, degradazione di composti organici…).

Possono vivere liberi nel citoplasma o intergrati nel cromosoma (episomi).

Possono essere eliminati artificialmente (curing).

Figura 18. Passaggio di plasmidi tra due  cellule batteriche durante la coniugazione

Figura 18. Passaggio di plasmidi tra due cellule batteriche durante la coniugazione

Figura 19. Cromosoma batterico e plasmide all’interno della cellula batterica

Figura 19. Cromosoma batterico e plasmide all'interno della cellula batterica


Mappa di plasmidi in batteri patogeni

Figura 20. Prodotto dei geni contenuti nei plasmidi o loro funzione: plasmide RK2 (A) e plasmide pCG86 di Escherichia coli (B)

Figura 20. Prodotto dei geni contenuti nei plasmidi o loro funzione: plasmide RK2 (A) e plasmide pCG86 di Escherichia coli (B)


Coniugazione F+ e F-

Incrocio F+ x F-

Alcuni plasmidi sono trasmissibili (plasmidi F), cioè in grado di promuovere il loro trasferimento in quanto essi contengono tutte le informazioni genetiche per il loro trasferimento.

Il meccanismo di trasferimento del plasmide F da un batterio donatore (F+) a uno ricevente (F-) prevede le seguenti fasi:

taglio in uno dei due filamenti del DNA plasmidico del batterio F+ (origine del trasferimento oriT);

formazione di un ponte formato da un pilus sessuale F che unisce il citoplasma delle due cellule;

replicazione del fattore F mediante il meccanismo del cerchio rotante durante il quale l’estremità 5′ della molecola viene trasferita nella cellula F-;

il batterio F- riceve una sola copia a singolo filamento del plasmide;

il donatore risintetizza il filamento mancante mediante il meccanismo di replicazione a cerchio rotante;

le cellule si separano ognuna contenendo un plasmide F (Fig. 21; filmato 1).

Figura 21. Trasferimento del plasmide F da una cellula donatrice F+ a una cellula ricevente F-

Figura 21. Trasferimento del plasmide F da una cellula donatrice F+ a una cellula ricevente F-

Filmato 1. Animazione del processo di coiugazione F+ e F-

Filmato 1. Animazione del processo di coiugazione F+ e F-


Coniugazione Hfr

Coniugazione Hfr x F-

Essendo il plasmide F un episoma in grado di integrarsi nel cromosoma batterico, dare origine a cellule ad alta frequenza di ricombinazione (Hfr) e promuovere il trasferimento di geni cromosomici.

Tale fenomeno prevede le seguenti fasi:

  • sintesi del pilus sessuale;
  • taglio sul filamento singolo del plasmide F integrato in corrispondenza dell’OriT (origine del trasferimento);
  • replicazione a cerchio rotante e trasferimento del filamento plasmidico e di alcuni geni cromosomici in direzione 5′-3′ (Fig. 22).

L’interazione fra donatore e ricevente non è poi così forte e la quantità di DNA trasferito è direttamente proporzionale alla durata del contatto fra le cellule. La cellula ricevente riceve, generalmente, solo una piccola parte del cromosoma del donatore, contente solo una parte del plasmide F, ed è quindi incapace di comportarsi da donatore a sua volta nei confronti di un’altra cellula. Nel caso in cui venga trasferito l’intero cromosoma del donatore al ricevente, esso diventa Hfr e quindi in grado di trasferire il suo DNA.

Figura 22. Coniugazione Hfr x F-

Figura 22. Coniugazione Hfr x F-


Coniugazione F’

L’integrazione non è un processo stabile e il plasmide F essendo un episoma, può staccarsi (escissione) dal cromosoma batterico.

Quando il plasmide F si stacca dal cromosoma, il sito di integrazione viene perfettamente riformato, creando un plasmide F completo ed un cromosoma ininterrotto.

Talvolta durante l’escissione può verificarsi un distacco imperfetto, e il plasmide porta con sé una porzione del cromosoma, integrando stabilmente i geni adiacenti al sito di distacco del plasmide F (Fig. 23). Questi plasmidi vengono detti F’ (o R’).

Successivamente il trasferimento del DNA da un donatore F’ a un ricevente F- procede in modo analogo a quello del plasmide F+ (Fig. 23). Nel caso in cui il plasmide contenga la maggior parte del gene F, il ricevente può divenire a sua volta un donatore.

Fig 23. I geni cromosomici A e B sono trasferiti ad una cellula ricevente durante la coniugazione F’

Fig 23. I geni cromosomici A e B sono trasferiti ad una cellula ricevente durante la coniugazione F'


I materiali di supporto della lezione

Perry et al., Cap. 4

Perry et al., Cap. 15

Madigan et al., Cap. 4

Madigan et al., Cap. 8

Madigan et al., Cap. 10

Flagelli

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