La cellula batterica

Giovanni Di Bonaventura, Ph.D.

CI «Microbiologia e Microbiologia Clinica»

CdS Medicina e Chirurgia

Università “G. d’Annunzio”, Chieti-Pescara

AA 2015-2016

BatteriDimensioni cellulari

I batteri presentano elevata variabilità nelle dimensioni:

Dimensioni medie Procarioti: 0.5 - 2.0 µm

Mycoplasma pneumoniae (0.2 µm)

Thiomargarita namibiensis (750 µm)

Dimensioni medie Eucarioti: 2 - 200 µm

Emazia: 7.5 μm

Rapporto superficie/volume

batteri = 12 μm2 / 4 μm3 = 3:1

cellula eucariotica = 1.5:1

Il metabolismo e, quindi, la crescita batterica sono

funzione inversa delle dimensioni:

tasso metabolico = 1/k x (d)2

Le ridotte dimensioni della cellula batterica consentono una

penetrazione più efficiente dei nutrienti che raggiungono

velocemente ogni parte del batterio. Gli Eucarioti, di contro,

necessitano, a tal fine, di strutture ed organelli.

BatteriPrincipali morfologie cellulari

I batteri presentano elevata variabilità anche nella

forma ed organizzazione:

Forme (morfologie) cellulari caratteristiche:

– sferica: cocchi (Staphylococcus spp., Streptococcus

spp., Neisseriaceae)

– cilindrica: bacilli (Escherichia coli, Pseudomonas

aeruginosa)

• corta e rigonfia: coccobacilli (Corynebacterium)

• curva: vibrioni (Vibrio cholerae)

• spirale: spirilli (Spirillum)

– a molla: spirochete (Borrelia, Treponema)

– filamentosa: (Streptomyces)

– variabile: pleomorfi (Bacteroides, Corynebacterium)

L’organizzazione cellulare dipende dalla modalità di divisione

e dai rapporti che le cellule mantengono a seguito di divisione:

– cocchi:

• singoli

• diplococchi: in coppia (Neisseriaceae)

• catene (Streptococcus)

• tetradi (gruppi di 4 cellule)

• sarcina (forma cubica, formata da 8-64 cellule)

• ammassi: (clusters) irregolari (Staphylococcus)

– bacilli:

• catene (streptobacilli) (Bacillus anthracis)

• palizzata (Corynebacterium)

BatteriOrganizzazione cellulare

Cellula battericaStruttura

La struttura cellulare dei batteri è quella tipica dei Procarioti.

La cellula batterica comprende tipicamente:

Componenti fondamentali: necessari per la sopravvivenza e la riproduzione

cellulare (parete cellulare, membrana cellulare, ribosomi, inclusioni, nucleoide,

matrice citoplasmatica, spore)

Componenti accessori: non sempre presenti in quanto svolgono funzioni

accessorie (non vitali); possono essere determinanti di virulenza (flagelli, pili,

capsula, glicocalice, plasmidi)

Cellula batterica

Me

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Str

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Composta da proteine (60%), lipidi (40%), carboidrati

Struttura sottile (spessore 8 nm) che separa il citoplasma dall’ambiente

Barriera altamente selettiva (concentra i nutrienti al suo interno ed

espelle all’esterno le sostanze di rifiuto)

Struttura trilaminare organizzata a “mosaico fluido”,

– doppio strato fosfolipidico con una componente proteica associata od

integrata (transmembrana)

– i fosfolipidi contengono regioni idrofiliche (glicerofosfato) ed idrofobiche (acidi

grassi) mediante le quali si auto-assemblano

– le proteine sono associate alla membrana od integrate in essa

– flessibile (viscosità ~ olio leggero), per movimento dei fosfolipidi

Rispetto alla membrana eucariotica, quella procariotica:

– non contiene steroli (es. colesterolo), presenti solo nei Micoplasmi e nei batteri

metanotrofi; sostituiti da opanoidi aventi stessa funzione di stabilizzazione e

compattamento

– è più ricca in proteine

– proteine non glicosilate

Barriera di permeabilità, regola il trasporto di nutrienti/prodotti metabolici:

- senza utilizzo di energia (trasporto PASSIVO, secondo gradiente

di concentrazione):

• diffusione semplice (osmosi)

• diffusione facilitata (mediata da specifici canali o proteine carrier)

- con utilizzo di energia (trasporto ATTIVO, contro gradiente di

concentrazione):

• mediato da proteine carriers

• traslocazione di gruppo

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Citopla

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atica

Funzio

ni

Sito di ancoraggio per proteine coinvolte nel

trasporto, nella chemotassi ed in reazioni

bioenergetiche

Sito di conservazione dell’energia: produzione

ed utilizzo di forza motrice protonica, durante la

respirazione (fosforilazione ossidativa)

Interviene nella divisione cellulare,

segregando i due cromosomi (mesosomi)

Sede di proteine coinvolte nella sintesi del

petidoglicano e nella trasduzione (all’interno della

cellula) del segnale (ambientale)

Non richiede utilizzo di energia in quanto la sostanza si muove secondo

gradiente di concentrazione (high-to-low).

La diffusione semplice riguarda piccoli composti idrofobici (glicerolo), gas (O2),

oppure solo H2O (osmosi).

La diffusione facilitata utilizza un canale (aspecifico) od un carrier (specifico) di

natura proteica.

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osi

Quando differenti concentrazioni di soluto sono

separate da una membrana semi-permeabilie,

H2O si sposta per raggiungere una condizione

isotonica ([soluto]extra = [soluto]intra).

cellula in soluzioni ipertoniche

([soluto]extra > [soluto]intra):

contrazione della membrana per

fuoriuscita di H2O dalla cellula

cellula in soluzioni ipotoniche

([soluto]extra < [soluto]intra):

membrana turgida per l’ingresso

di H2O nella cellula.

La parete cellulare dei microrganismi aiuta a preservare l’integrità cellulare

opponendosi alle variazioni della pressione osmotica:

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”

Il trasporto è mediato da proteine trasportatrici

(carriers) ed avviene contro gradiente

elettrochimico richiedendo, quindi, utilizzo di

energia (ATP)

Trasporto “uniport”: 1 sostanza viene

trasportata in un’unica direzione

Trasporto “antiport”: 2 sostanze (una

generalmente H+) sono co-trasportate in

direzioni opposte

Trasporto “symport”: 2 sostanze sono co-

trasportate nella stessa direzione

Tra

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La molecola trasportata viene modificata chimicamente.

Esempio: sistema P-transferasico in E. coli (24 proteine)

utilizzo dell‘energia derivante dal fosfoenol-piruvato

almeno 4 proteine necessarie al trasporto di un carboidrato

(enzima I aspecifico, enzima II specifico)

fosforilazione a cascata

Tra

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AB

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ranspo

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Sistema ABC (ATP-Binding Cassette), composto da 3 proteine:

proteina periplasmatica

proteina trans-membrana

ATP-asi

proteina periplasmatica mobile nel periplasma e dotata di elevata affinità (fino

a 10-6 M) per il substrato

oltre 200 tipologie di sistemi ABC; specificità per composti organici

(aminoacidi, carboidrati) ed inorganici (solfati, fosfati)

presente non soltanto nei Gram- ma anche nei Gram+ (PBP ancorato alla

membrana citoplasmatica)

energizzato da idrolisi ATP

Me

mb

ran

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sm

atica

Mesosom

aIl mesosoma è una invaginazione della membrana citoplasmatica di

notevoli dimensioni, di forma irregolare. Presenza di diversi e voluminosi

mesosomi, soprattutto nei batteri Gram+.

Appaiono come strutture (lamellari, tubulari) concentriche in prossimità del

nucleoìde, delle estremità cellulari o della zona di formazione del setto.

Svolge importanti funzioni:

durante la divisione cellulare, fornisce

attacco al DNA facilitando la separazione

dei due cromosomi e la produzione del

setto trasverso (mesosomi settali)

contengono gran parte dei citocromi e

degli enzimi respiratori (mesosomi

respiratori)

contengono enzimi coinvolti nella sintesi

dei componenti di parete (mesosomi

biosintetici)

Str

uttu

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ito

pla

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atich

e

Citoplasma

gel colloidale (80% H2O, 20% sali-proteine)

H2O (80% peso totale cellulare), solvente per composti organi/inorganici

e componenti funzionali citoplasmatiche

proteine, zuccheri, lipidi, sali (Na, Ca, Mg, Fe, fosfati, solfati, ecc.)

Cromosoma

localizzato in un’area chiamata “nucleoìde”, non è delimitato da

membrane (assenza di nucleo)

DNA bicatenario, circolare (lineare in Streptomyces, Borrelia)

singolo (aploidia più efficiente vs diploidia: crescita più veloce; le

mutazioni permettono un adattamento più veloce all’ambiente)

lunghezza rilevante (1-1.4 mm), superavvolto, non associato ad istoni

Plasmidi

DNA circolare extra-cromosomico (piccole dimensioni)

singoli o presenti in più copie

non essenziali per la crescita ed il metabolismo batterico

codificano per fattori di virulenza (es. antibiotico-resistenza)

Ribosomi

60% RNA-ribosomale, 40% proteine

differiscono da quelli eucariotici per numero (10.000/cellula) e

dimensioni (subunità 50S: 34 proteine, RNA 5S e 23S; subunità 30S: 21

proteine, RNA 16S)

Assenza di compartimenti intracellulari separati da membrane

nucleo (trascrizione e traduzione accoppiate), mitocondri, complesso di

Golgi, reticolo endoplasmatico

plasmide

Str

uttu

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ito

pla

sm

atich

eInclusioni e granuli

Corpi intracellulari con funzione di “riserva” energetica

La cellula batterica può, infatti, utilizzarli nei casi di carenza, od

assenza, di fonti energetiche ambientali

Variabili in dimensioni, numero e contenuto

Tipologie:

- glicogeno

- poli-β-idrossibutirrato (Bacteria, Archaea)

- vescicole gassose per il galleggiamento (Cyanobacterium)

- granuli di zolfo e fosfato (granuli metacromatici in

Corynebacterium diphtheriae)

- magnetosomi (Fe3O4; magnetotassi)

Cellula Procariotica

Pa

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o(1

di 4)

La parete cellulare è presente in gran parte dei Procarioti, dove circonda la

membrana citoplasmatica.

eccezioni: Archea (generalmente assente; alcune specie

presentano uno pseudoglicano), Micobatteri (peptidoglicano a

struttura caratteristica), Micoplasmi (privi di parete)

Presente anche negli Eucarioti (es. miceti) ma con struttura più semplice.

E’ formata da strati sovrapposti di peptidoglicano (mureina).

Il peptidoglicano è una struttura rigida a forma di rete, in cui catene

polisaccaridiche lineari sono unite tra loro mediante legami crociati di

natura peptidica.

Pa

rete

ce

llula

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og

lican

o(2

di 4)

La caratteristica unità di ripetizione (glican tetrapeptide) del

peptidoglicano consta di:

catena polisaccaridica: formata da unità disaccaridiche ripetute (in

alternanza) di N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico

(NAM), legate tra loro da un legame β(1,4) glicosidico.

peptide: tetrapeptide di sintesi enzimatica, legato a NAM e formato da D-

ed L-aminoacidi (uniti mediante legami peptidici):

- L-alanina --- acido D-glutamico --- L-lisina --- D-alanina

- la sequenza aminoacidica è specie-specifica, sebbene presenti

sempre in posizione 3 un aminoacido bibasico: L-lisina (Gram +),

oppure acido meso-diaminopimelico (Gram-).

Il legame crociato peptidico interessa il diamminoacido in posizione 3 e

D-alanina in posizione 4; può essere:

indiretto, mediante ponte pentaglicinico (Gram+)

diretto, mediante legame peptidico tra acido meso-diaminopimelico

e D-alanina (Gram-)

Elevata variabilità nella composizione dei

legami crociati tetrapeptidici: noti più di

100 tipi di peptidoglicano.Pa

rete

ce

llula

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ptid

og

lican

o(3

di 4)

Nella struttura di base del peptidoglicano, le catene individuali di

peptidoglicano sono adiacenti e tenute insieme, a livello dei tetrapeptidi, da

legami crociati peptidici.

Pa

rete

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og

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o(4

di 4)

NUMERO DI LEGAMI CROCIATI (cross bridges)

Oltre che a livello strutturale, la parete dei Gram+ differisce da quella dei

Gram- anche per il numero dei legami crociati presenti:

nei Gram+: tutti i residui di NAM sono legati ad un tetrapeptide;

nei Gram-: i legami sono meno frequenti; maglie più larghe e, quindi,

minore rigidità parietale.

Pa

rete

ce

llula

reF

un

zio

niLa parete cellulare è indispensabile per la cellula batterica perchè:

conferisce rigidità alla cellula:

- impedisce la lisi od il collasso della cellula, in risposta a variazioni

della pressione osmotica (pressione interna: 5-20 atm !)

- protegge la cellula da insulti meccanici

- determina la forma dei batteri

contribuisce al determinismo della patogenicità batterica:

- protegge la cellula da sostanze tossiche (es. detergenti, antibiotici,

disinfettanti)

- ha attività pirogena (aumento temperatura dell’ospite)

- può interferire con la fagocitosi

- è mitogeno per i linfociti

Pa

rete

ce

llula

reF

un

zio

ni

Tuttavia, la parete cellulare può rappresentare anche un vulnus per la

cellula batterica, in quanto:

è sensibile al lisozima (presente nel lacrime, muco, saliva; prodotto anche

dai batteri) che attacca lo scheletro glicanico a livello del legame β(1-4)

glicosidico

lisandosi (es. in presenza di penicillina), genera cellule osmoticamente

sensibili che non lisano soltanto in ambiente isotonico:

- protoplasto (Gram+), cellula priva di residui di parete cellulare

- sferoplasto (Gram-), cellula dotata di frammenti di parete cellulare

- forme L (Lister Institute, dove furono osservate per la prima volta):

sferoplasto/protoplasto in grado di crescere; reversibili (allontanamento

dell’induttore) od irreversibili; responsabili della cronicizzazione

dell’infezione (antibiotico-R, immuno-elusione)

è riconosciuta come target da alcuni antibiotici (β-lattamici)

può essere riconosciuta dal sistema immune (immunogenicità)

SferoplastoProtoplasto B. subtilis: fase L

Formata da peptidoglicano multistratificato e ispessito

150-500 Å; fino a 40 strati concentrici; 40-80% peso secco

Acidi teicoici (dal greco τεικος= muro):

polimeri di poliol- (glicerolo, ribitolo) fosfati

solubili in H2O

legati covalentemente al peptidoglicano

determinano la carica netta di superficie;

legano Ca2+ e Mg2+, portandoli nella cellula

funzione di adesine (per batteriofagi)

Pa

rete

ce

llula

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ram

-po

sitiv

i

immunogeni (principali antigeni di superficie: sierotipo)

Acidi lipoteicoici:

acidi teicoici contenenti un acido grasso

ancorati (mediante l’acido grasso) alla membrana citoplasmatica

nell’uomo possono svolgere attività endotossica

funzione di adesine (associati a proteina M)

immunogeni (determinanti sierotipo batterico)

Carboidrati:

carboidrato C (criterio classificativo negli streptococchi)

Proteine:

proteina M (S. pyogenes: antifagocitaria, adesività a mucose)

proteina A (S. aureus: lega Fc anticorpale inibendo la formazione

dell’immuncomplesso e la attivazione del Complemento)

Struttura altamente polare

si oppone al passaggio di molecole idrofobiche (es. sali biliari, tox per

la cellula)

consente il passaggio di composti idrofili (carboidrati, aminoacidi)

lega alte quantità di cationi (Na+, Mg+):

garantisce la giusta osmolarità per la funzionalità enzimatica (sintesi

peptidoglicano) di membrana

conferisce maggiore resistenza, vs Gram-, ad elevate concentrazioni

saline (alofilia)

Struttura rigida

consente la sopravvivenza in ambiente isotonico, opponendosi alla lisi

cellulare osmotica

Pa

rete

ce

llula

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ram

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sitiv

i

Parete cellulareGram-positivi

Parete cellulare:

strutturalmente e chimicamente più complessa vs Gram+, è formata da un

sottile (20-30 Å; 2-3 strati concentrici; 5% peso secco) strato di peptidoglicano

assenza di acidi teicoici e lipoteicoici

Pare

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Membrana esterna:

si trova esternamente alla parete cellulare

legata al peptidoglicano mediante la frazione proteica di lipoproteine

struttura bilaminare e asimmetrica: strato esterno formato da

lipopolisaccaride (LPS), molecola anfipatica

si oppone al passaggio di molecole

idrofobiche (catene laterali idrofiliche LPS), ma

anche di grosse molecole idrofiliche (doppio

strato fosfolipidico).

attraversata da proteine adibite al trasporto di

molecole idrofiliche (porine)

protegge la cellula da alcuni antibiotici

presenta adesine per batteriofagi

Pa

rete

ce

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tivi: p

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e

Le porine sono organizzate in omotrimeri a formare canali (pori) che

permettono il passaggio di sostanze idrofiliche attraverso la membrana

esterna:

Porine aspecifiche (molecole con PM < 600 Da)

- OmpF, OmpC: diffusione di ioni ed altre piccole molecole idrofile

- PhoE: indotta da “phosphate starvation”, consente il passaggio di

molecole idrofile cariche negativamente

Porine specifiche (molecole più grandi)

- Btu: vitamina B12

- LamB: indotta da maltosio ed altre maltodestrine nel mezzo

- FhuA: uptake del ferro

Ruolo nella antibiotico-resistenza:

la sostituzione di aminoacidi neutri con altri carichi che si proiettano

all’interno del poro perturba il normale passaggio degli antibiotici

in presenza di antibiotico, viene diminuita/eliminata l’espressione delle

porine implicate nel suo uptake cellulare

Funzione recettoriale per:

fagi, batteriocine, componenti del Complemento, anticorpi

Determinanti di patogenicità, in quanto promuovono:

l’adesione alle cellule dell’ospite

l’invasività delle cellule dell’ospite

l’attività citotossica

Pare

te c

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LP

S)

Il lipopolisaccaride (LPS o endotossina) è il fattore di virulenza che caratterizza l’azione

patogena dei Gram-.

Formato da 3 componenti:

Lipide A (gruppo-specifico): glicosfosfolipide; frazione endotossica ancorata alla

membrana esterna tramite acidi grassi; con i suoi gruppi P laterali unisce LPS adiacenti;

altamente conservato nei Gram-

Core (specie-specifico): polisaccaride ramificato (9-12 zuccheri, tra cui i peculiari acido

cheto-deossi-octonico ed un eptoso)

Antigene O (tipo-specifico): polisaccaride lineare (50-100 unità ripetute, 4-7

zuccheri/unità); determina il sierotipo (2.000 in Salmonella, 150 in E. coli)

Pare

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PS

LPS rappresenta una importante struttura di superficie che consente la

interazione dell'agente patogeno con il suo ospite. Infatti, LPS:

media la adesione agli epiteli (colonizzazione);

interferisce con la fagocitosi;

è sede di determinanti antigenici (immunogeno);

se liberato in un ospite sensibile, dà luogo a numerosi effetti tossici

(ENDOTOSSINA BATTERICA)

EFFETTI BIOLOGICI DELL'ENDOTOSSINA

1) Effetto pirogeno (capacità di indurre febbre anche a basse dosi)

2) Attiva vari tipi cellulari con produzione di interleuchine/chemochine:

- macrofagi (aumento della fagocitosi e capacità battericida,

produzione di monochine attive su vari altri tipi cellulari e tessuti)

- linfociti B (proliferazione e differenziazione in plasmacellule)

- cellule endoteliali

- piastrine

- granulociti

3) Induce infiammazione

4) Induce vasodilatazione con conseguente ipotensione e shock

5) Attiva il Complemento

6) Stimola la coagulazione del sangue (CID, coagulazione intravasale

disseminata)

Pare

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PS

RUOLO DELL'ENDOTOSSINA NELLO SHOCK ENDOTOSSICO

Shock endotossico: grave quadro clinico che può accompagnare le setticemie da

batteri Gram-; caratterizzato da febbre, ipotensione, acidosi, insufficienza renale e

respiratoria e, nelle fasi finali, da coagulazione intravasale disseminata (reazione

di Schwartzman; CID/DIC) ed insufficienza d’organo.

Frequenza: 1% dei pazienti ospedalizzati sviluppa sepsi; 20-30% nei reparti di

terapia intensiva.

Esito fatale: 40-60% dei pazienti, nonostante la terapia antibiotica.

Pare

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pazio

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rip

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ico

Lo spazio periplasmatico è la zona compresa tra:

membrana citoplasmatica e peptidoglicano (Gram+)

membrana citoplasmatica e membrana esterna (Gram-)

Contiene il periplasma, di consistenza gelatinosa, che occupa circa il

20-40% del volume totale cellulare.

Nello spazio periplasmico si trovano:

proteine per il trasporto di zuccheri,

aminoacidi, fosfato, vitamine.

enzimi (Gram-)* per l’acquisizione di nutrienti,

la degradazione di grosse molecole o DNA

fagico (proteasi, lipasi, nucleasi), il trasporto

elettronico, la sintesi del peptidoglicano, la

inattivazione di antibiotici (es. β-lattamasi vs

antibiotici β-lattamici).

oligosaccaridi di membrana

Lo spazio periplasmico aumenta di volume in

caso di ridotta osmolarità ambientale.

* nei Gram+, gli esoenzimi sono analoghi funzionali degli enzimi periplasmatici; tuttavia,

la incapacità di poterli concentrare nello spazio periplasmatico richiede la sintesi di

elevate concentrazioni e, quindi, di un aumentato «costo energetico».

Parete cellulareGram-negativi

Parete cellulareGram+ vs Gram-

Parete cellulareGram+ vs Gram-

Pare

te c

ellu

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Casi p

art

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ri

In alcuni casi particolari, la parete cellulare è assente oppure ha una

composizione/struttura peculiari:

Micoplasmi: non presentano parete cellulare; presenza di steroli nella

membrana citoplasmatica.

Micobatteri: dotati di parete cellulare a struttura complessa (simile a

quella dei Gram+) in cui il peptidoglicano è legato covalentemente ad

un polimero di arabinogalattano e circondato da uno strato di lipidi

complessati con le cere formate dagli acidi grassi a lunga catena

(acidi micolici) dotate di potente azione adiuvante la patogenicità.

Lipidi con acidi micolici sono presenti anche nei corinebatteri ed in

Nocardia.

Micoplasmi Micobatteri. Parete cellulare.

Cellula battericaStrutture esterne

Cellu

la b

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Str

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lice

Glicocalice: rivestimento esterno cellulare di Gram+ (S. pneumoniae, S. mutans,

B. anthracis) e Gram- (N. meningitidis, P. aeruginosa, H. influenzae);

generalmente formato da polisaccaridi etero/omo-polimerici, ad eccezione di

B. anthracis (composizione proteica: poli-D-glutamato)

Tipologia:

- capsula: altamente organizzata, fortemente adesa

- strato mucoso (slime): diffuso (uniforme), scarsamente adeso, lasso

Sintesi regolata da fattori:

- genetici (geni codificanti la capsula), ambientali (chimico-fisici)

Funzioni. Non indispensabilie per la crescita ma per la sopravvivenza

all’interno dell’ospite:

- protezione da disidratazione e perdita di nutrienti

- limita l’ingresso di molecole idrofobiche tossiche (antibiotici, disinfettanti,

detergenti) (P. aeruginosa in FC)

- protezione vs risposta immune (es. fagocitosi in S. pneumoniae)

- adesione ai tessuti e materiali inerti (S. mutans su smalto dentale;

Staphylococcus spp., P. aeruginosa su protesi), formazione di biofilm

Cellu

la b

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Bio

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Glicocalice: colorazione

con inchiostro di china

Cellu

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Str

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licocalic

e

Nei pazienti affetti da Fibrosi Cistica (FC), le infezioni polmonari rappresentano

la principale causa di mortalità.

Pseudomonas aeruginosa può essere isolato dal polmone FC in due fenotipi:

“mucoide” oppure “non mucoide”.

Il fenotipo «mucoide» presenta una spiccata propensione ad aderire all’epitelio

formando biofilm, comunità sessili in grado di esibire una resistenza ai comuni

antibiotici e disinfettanti, fino a 1000 volte maggiore vs controparte planctonica

Il fenotipo «non mucoide» invece è proprio di batteri “nudi”, acapsulati, che

vivono in forma individuale, e che come tali sono più facilmente aggredibili dalla

terapia.

Diagnosticare la presenza del fenotipo mucoide fornisce un’informazione

importante perché fortemente predittiva di una infiammazione-infezione cronica

polmonare. Infatti, è noto che l’infezione causata da un ceppo “non mucoide” può

essere eliminato facilmente dai polmoni dei bambini con FC, per lo meno per un certo

periodo di tempo. Al contrario, è molto più difficile eradicare l’infezione «mucoide».

Ce

llula

ba

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Str

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: flag

elli

Alcune specie batteriche sono dotate di motilità attiva grazie alla presenza di uno

o più flagelli.

Il flagello risulta composto da tre parti:

filamento: struttura elicoidale che protrude dal soma cellulare; formato da

monomeri di flagellina (antigene H; ted. hauch, pellicola), proteina la cui

composizione aminoacidica è specie-specifica

uncino: membrana (guaina) ricurva

corpo basale: àncora il flagello alla cellula e fornisce energia per il suo

movimento. Composto da anelli proteici (almeno 15 proteine):

- Gram-: 4 anelli: L (LPS), P (parietale), S (al di sopra della membrana

cellulare), M (in corrispondenza della membrana cellulare)

- Gram+: anello P ed M

Ce

llula

ba

tte

rica

Str

utt

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este

rne

: flag

elli

La sintesi del flagello è regolata da circa 20 geni. I monomeri proteici

(flagellina) vengono secreti all’esterno della cellula, quindi si auto-

assemblano in presenza di un “nucleatore (sali, proteine).

Composizione e struttura:

proteica

struttura a singolo filamento (vs flagello eucariotico: “9 + 2” coppie)

Il numero e l’organizzazione dei flagelli sono variabili:

monotrìco: singolo, ad un’estremità (P. aeruginosa, V. cholerae)

lofotrìco: ciuffo di flagelli, ad una estremità (H. pylori)

amfitrìco: un flagello ad ogni estremità

peritrìco: flagelli disposti attorno alla cellula (P. mirabilis, E. coli)

a) peritrìco; b) monotrìco; c) lofotrìco; d) amfitrìco

Ce

llula

ba

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Str

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: flag

elli

Movimento

Il movimento viene energizzato da idrolisi ATP (anaerobi) o da potenziale

di membrana durante fosforilazione ossidativa (aerobi)

Il flagello guida il batterio in una direzione (movimento direzionale), in

risposta ad uno stimolo esterno:

- stimolo chimico: chemotassi (positiva o negativa)

- stimolo luminoso: fototassi

Il segnale attiva un movimento rotatorio di 360° in senso antiorario (run,

in avanti con direzione) od orario (tumble, rotolamento per interruzione

del run)

In presenza di un gradiente “attraente” (positivo), il numero dei tumbles si

riduce favorendo runs più lunghe

Ce

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: flag

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Rilevanza clinica

Il flagello è un fattore di virulenza poichè consente al batterio:

motilità autonoma, generalmente in un mezzo liquido:

migrazione di E. coli da intestino alle vie urinarie

penetrazione del film mucoso gastrico da parte di H. pylori

migrazione verso il circolo ematico

invasione cellulare (E. coli, S. typhimurium)

adesione a superfici abiotiche/biotiche

adesione intercellulare (clusters batterici intra- od inter-specifici)

Haiko & Westerlund-Wikström, Biology, 2013

Tuttavia, il flagello è immunogeno e,

quindi, viene frequentemente utilizzato

dal sistema immune dell’ospite per

individuare il batterio

Ce

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: flag

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Esistono 3 principali tipologie di motilità:

Swimming:

flagellare, consente il movimento in un mezzo liquido

Twitching

composito (flagelli + pili tipo IV), consente un movimento per

“strisciamento” su superfici (mucose, abiotiche)

Swarming

flagellare, viene indotta dal contatto con superfici aventi una

appropriata viscosità e composizione

caratterizzata dal differenziamento di cellule vegetative in cellule

swarm, lunghe ed iperflagellate

Ce

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: fim

bri

e o

pili

Fimbria (lat., fimbriae: frangie), pilo (lat., pilus: pelo):

più corti (0.2-2 um), sottili e numerosi vs flagella, sono disposti uniformemente

formati da polimeri di pilina (1-2 tipi, specie-specifiche)

Funzioni:

adesione intercellulare od a superfici [abiotiche (protesiche) e biotiche

(glicoproteine di membrane)] tramite adesine site alla estremità terminale (E. coli,

N. gonorrhoeae).

in E. coli: curli (formati da monomeri di curlina), essenziali per formazione biofilm

in azione combinata con i flagelli, consentono alla cellula di “strisciare” su superfici

solide (twitching)

pili sessuali (pili F): mediano il trasferimento intercellulare di materiale genetico

durante la coniugazione

Ce

llula

batterica

Str

utt

ure

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rne

: fila

me

nti a

ssia

li

Filamento assiale:

struttura periplasmica, formata da flagelli intracellulari, localizzati tra la

parete cellulare e membrana esterna delle Spirochete (dal greco speira:

spirale)

contraendosi, impartisce alla cellula un movimento alternato di torsione e

flessione

Treponema pallidum (spirocheta),

agente eziologico della sifilide

Ce

llula

batterica

En

do

sp

ore

Endospora:

forma di resistenza che prende

origine dall acellula vegetative

qualora le condizione ambientali

siano non ottimali per la

moltiplicazione cellulare.

assicura la protezione e la

dispersione della specie

implicazioni cliniche, tecniche,

sociali e terapeutiche

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