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LA CELLULA - MORFOLOGIA BATTERICA

LA CELLULA - MORFOLOGIA BATTERICA
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LA CELLULA

La cellula è l’unità base di tutti gli organismi viventi, grazie alla presenza di enzimi è in grado di svolgere attività metaboliche che le consentono di replicarsi e di apportare modifiche nell’anbiente in cui vive.

TUTTE LE CELLULE SONO CARATTERIZZATE DA:

membrana citoplasmatica: è la struttura che separa l’entità vivente dall’ambiente esterno e che controlla tutti i rapporti tra interno ed esterno.

Citoplasma: rappresenta una parte ampia della cellula, all’interno della quale sono contenute diverse strutture. Nel citoplasma sono immersi i ribosomi, piccoli corpi responsabili della sintesi proteica.

Acidi nucleici: tutte le cellule contengono il DNA (l’acido desossiribonucleico), la molecola che porta l’informazione genetica che viene ereditata con la riproduzione.



La parete cellulare: presente solamente nei batteri, funghi e le cellule vegetali, si forma all’esterno della parete cellulare.

Citoscheletro: è presente nelle cellule animali ed è un rinforzo all’esterno.

VIRUS

Sono privi di molte strutture che caratterizzano la cellula, ma sono in possesso dell’acido nucleico, ma non sono in grado di utilizzare substrati di crescita per un metabolismo autonomo.

Sono liberi nell’ambiente, sono inerti.

Acquisiscono la capacità di riproduzione solo quando sono all’interno di una cellula vivente; utilizzano per la sintesi proteica e per la duplicazione il sistema biologico della cellula che infettano.

Possono infettare qualsiasi cellula, compresa quella batterica.

In questo caso prendono il nome di batteriofagi o fagi.

Spesso sono responsabili di malattie e morte per la cellula in cui si insediano.

A volte, i fagi possono dare origine a modificazioni genetiche che migliorano le potenzialità metaboliche della cellula che li ospita. Le loro dimensioni sono molto inferiori a quelle delle cellule.

BATTERI

Procarioti, non hanno mai la membrana cellulare, si trovano ovunque.

FUNGHI, PROTOZOI E ALGHE

Eucarioti, hanno un nucleo.

I MICRORGANISMI

Utili à mantenimento fertile del suolo, producono sostanze

Dannosi à causano malattie, problemi ambientali, infezioni

Indispensabili à degradano composti es. colonizzazione dell’apparato digerente

Si trovano:

- nel suolo   - nell’acqua   - nell’aria

Habitat:   (influisce sul microrganismo e viceversa)

- O2 à aerobi, anaerobi e anaerobi facoltativi

- à ognuno ha una T° ottimale

- Nutrienti à dipende se autotrofi o eterotrofi

·        Autotrofi: producono da sé le proprie sostanze e non hanno quindi bisogno di nutrirsi di altri organismi (piante e batteri) (CO2)

·        Eterotrofi: devono procurarsi i nutrimenti (C organico)

- H2O à importante per tutti i M.O (alcuni anche senza H2O es. sporigeni)

- pH à dipende dai M.O  (acido, basico, neutro)

EVOLUZIONE DELLA CELLULA PRIMITIVA

La prima venne chiamata progenote, poi si è evoluta formando la cellula degli eucarioti, procarioti, batteri ed archea.

Differenze nella composizione della membrana:

Archea à presenza di legami etere (tra gli ossidrili del glicerolo e gli alcoli a lunga catena), conseguenza di ambienti difficili, in presenza di alte temperature.

Batteri ed eucarioti à legami molto più forti di quelli estere (tra gli ossidrili del glicerolo e gli acidi  grassi a lunga catena)

DIFFERENZE TRA LE CELLULE PROCARIOTI ED EUCARIOTI

         PROCARIOTI                                                                 EUCARIOTI

Batteri                                                                                       Alghe,funghi,protozoi,piante e animali

Dimensioni  0,3-3 mm                                                               > 5 mm   

unicellulari                                                                                pluricellulari

privi di nucleo, DNA avvolto ad aspirale in una                      nucleo circondato da una membrana

regione detta nucleotide                                                            nucleare

aploidi ( 1 cromosoma, cioè una copia del materiale                diploidi (più cromosomi)

genetico), si moltiplicano veloce e sono più semplici

ed è libero nel citoplasma

zone codificanti                                                                         zone codificanti e zone non                    codificanti

riproduzione assessuata (2 cellule lie per ogni cellula         riproduzione sessuata

madre)àscissione binaria

respirazione cellulare sulla membrana citoplasmatica             respirazione cellulare sulla membrana dei mitocondri

                                                                                                  parete cellulare, è un involucro   esterno, che avvolge la membrana citoplasmatica                            (funghi e algheà la parete è rigida, di natura polisaccaridica

protozoià è semirigida, di natura proteica

batterià è rigida costituita da peptidoglicano detto mureina

archeaà costituita da pseudomureina

membrana cellulare, non contiene steroli                                  membrana cellulare, contiene steroli

reticolo endoplasmatico, costituito da tubuli membranosi.

- Reticolo endopl rugosoà ricoperto da ribosomi, assembla le proteine

- Reticolo endopl liscioà privi di ribosomi, sintesi di lipidi (ac grassi, fosfolip, steroidi), immagazzinano ioni di Ca (contrazioni)

apparato di Golgi, costituito da pile di dischi e immerso nel citolpl, funzione di modificare e selezionare le molecole che provengono dal reticolo endopl, che devono essere secrete e quelle che devono essere inviate agli organuli

cloroplasti, presenti negli eucarioti fotosintetici, nei quali avviene il trasporto degli e- durante la fotosintesi, assorbono energia solare e la trasformano in chimica

mitocondri, avvolti da una membrana esterna e una interna contenente la catena di trasporto degli e-.

Sono costituiti da delle creste dove si trovano gli enzimi e da una matrice dove si svolge la respirazione cellulare, cioè l’energia chimica degli zuccheri è convertita in molecole di ATP

Ribosomi                                                                                   ribosomi

dimensione à 70s                                                                     dimensione à80s

subunità à 30s e 50s                                                                 subunità à 40s e 60s

numero di proteine à 21 nella subunità 30s                             num proteine à 33 nella sub 40s

                                    34 nella subunità 50s                                                         45 nella sub 60s

Flagello semplice, se presente                                                   flagello complesso, se presente

MORFOLOGIA BATTERICA

Forme cellulari

1)      cilindrica

2)      sferica

3)   plemorfi à hanno la capacità di modificare la forma delle cellule

1)      i batteri a forma cilindrica vengono detti bacilli o bastoncini à se assumono forme ricurve

 vibrioni

à se sono allungati e spiraliformi                        spirilli

àformati da2celluleàdiplobacilli

à formati da un numero superiore

                                                                                                                                           streptobacilli

2)      i batteri a forma sferica vengono detti cocchi à formati da2cellule à diplococco

à formati da una catena lunga à streptococco

à formati da cellule disordinate à stafilococco

Rapporto superficie/volume

 

Nelle cellule batteriche è molto elevato rispetto a quello delle cellule eucaristiche, cioè le cellule procariotiche hanno una maggiore superficie disponibile per effettuare gli scambi, con l’ambiente sterno. Le cellule batteriche rispondono così molto rapidamente al variare delle condizioni ambientali esterne.

Questo influenza anche la velocità del metabolismo cellulare e quindi la velocità di crescita.

STRUTTURA DELLA CELLULA

Membrana cellulare

Composta da un doppio strato di fosfolipidi.

Separa l’interno della cellula dall’ambiente esterno, ha la funzione di trasporto e trasmissione dei segnali.

Importante l’integrità della membrana cellulare, per la vita delle cellule batteriche, una lesione porta alla morte.

I fosfolipidi sono molecole costituite da:

dalla testa à polare, idrofila, costituita da glicerolo + gruppo fosfato, situata verso l’esterno

dalla coda à apolare, idrofoba, costituita da acidi grassi , situata verso l’interno

Per la presenza di gruppi fosfati, la membrana, in condizione di Ph neutro ha una carica netta negativa.

I fosfolipidi sono in uno stato liquido-cristallino fluido, che consente alla membrana il corretto grado di fluidità.

Vi sono anche delle proteine con funzione:

- fornire segnali di riconoscimento

- alcuni funzionano da recettori di messaggi chimici provenienti da altre cellule, le proteine recettore si adattano alla specifica forma del messaggero

- permettono alle sostanze di attraversare la membrana, le molecole piccole come l’H2O passano liberamente, mentre altre hanno bisogno delle proteine di membrana (acquaporine).

Sistemi di trasporto

1)      trasporto attivo à richiede un dispendio energetico da parte della cellula ATP

a)      il trasporto attivo inizia quando un soluto si lega alla proteina di trasporto

b)      dopo il legame l’ATP libera il gruppo fosfato alla proteina

c)      l’energia che deriva da questo trasferimento (fosforilazione)

d)      quando la proteina rilascia il primo soluto, assume una forma e una posizione che consentono di legare il 2° soluto

e)      il gruppo fosfato viene rilasciato, consentendo alla proteina di tornare alla sua forma iniziale e liberare il 2° soluto nel citoplasma.

2)      trasporto passivo à la diffusione è la tendenza delle particelle a spostarsi spontaneamente da una zona dove sono più concentrate a una zona dove sono meno concentrate.

La diffusione non richiede lavoro (dispendio di energia).

Tutto ciò avviene attraverso le proteine.

Parete cellulare

La cellula batterica vive in ambienti ricchi di H2O in cui i soluti sono poco concentrati, mentre al suo interno vi è una forte concentrazione di soluti che determina un’elevatissima pressione.

Quindi la parete dev’essere porosa per consentire gli scambi tra cellula e ambiente esterno e una rigidità sufficiente per le alte pressioni intracellulari e deve essere elastica.

Il materiale che fornisce tali caratteristiche alla parete cellulare è il peptidoglicano o mureina.

Peptidoglicano

È costituito da 2 derivati polisaccaridici:

-   l’N-acetil glucosamina   NAG

-   l’N-acetilmuramico  NAM

uniti da un legame b-l,4- glicosidico, questa porzione è comune a tutti i batteri sia Gram+ che Gram- .

Al gruppo carbossilico dell’acido NAM si lega un tetrapeptide composto di L-alanina, acido D-glutamico, acido diaminopimelico e D-alanina.

L’acido diaminopimelico è presente nel peptidoglicano di tutti i batteri Gram- e in alcuni Gram+.

Questo amminoacido può esser sostituito dalla L-lisina nei Gram+.

La rigidità e la robustezza della parete cellulare sono dovute a legami crociati che uniscono un amminoacido di un tetrapeptide con un amminoacido del tetrapeptide adiacente, stabilizzando la struttura.

Nei batteri Gram- à il gruppo carbossilico della D-alanina, di una catena peptidica, e il gruppo amminico dell’acido diaminopimelico, della catena adiacente, sono coinvolti in legame peptidico.

Nei batteri Gram+ à invece di un legame peptidico crociato, si forma un ponte peptidico formato da amminoacidi.

Negli archea à la prete cellulare contiene la pseudomureina non il peptidoglicano.

La pseudomureina:

è composta da:

-   NAG

-   acido N-acetiltalosaminuronico

uniti da un legame glicosidico b-l,3 invece di b-l,4.

Questo legame può esser tagliato da un enzima chiamato lisozima, l’azione di questo enzima indebolisce la struttura della parete consentendo all’H2O per osmosi di entrare nel citoplasma.

L’H 2O rigonfierà la cellula gradualmente provocando la rottura della membrana e quindi la lisi cellulare.

Membrana periplasmatica dei batteri Gram- (membrana esterna)

I batteri Gram- presentano una seconda membrana, composta da un doppio strato fosfolipidico, all’esterno della parete cellulare.

È costituita oltre che da fosfolipidi e proteine, anche da lipopolisaccaridi.

Lipopolisaccaride LPS

È costituito da:

-   il lipide A, una regione situata all’interno della membrana esterna, è costituito da acidi grassi  legati con un legame estere-aminico a un disaccaride composto da 2 unità di NAG.

-   dal core polisaccaridico, è la porzione esterna del LPS composto da chetodeossiottano, e da zuccheri come glucosio.

-         dal polisaccaride O, composto da esosi.



I lipopolisaccaridi sono localizzati nello strato esterno della membrana esterna, mentre nello strano interno è presente una lipoproteina con funzione di legame ed ancoraggio della membrana esterna al peptidoglicano.

La regione compresa tra la faccia interna della membrana lipopolisaccaridica e la faccia esterna della membrana citoplasmatica è detta periplasma.

Sono presenti enzimi degradativi, proteine coinvolte nel trasporto dei nutrimenti all’interno della cellula e nel metabolismo del peptidoglicano.

La sintesi dei componenti della membrana esterna aviene nel citoplasma o nello strato interno della membrana citoplasmatica e vengono trasportati alla membrana periplasmatica tramite dei sistemi di trasporto.

Funzione della membrana esterna è quella di barriera selettiva che controlla i flussi.

Colorazione di Gram

I batteri possono esser divisi in Gram+ e in Gram- in base al risultato della colorazione di Gram.

Procedimento:

1)      le cellule batteriche vengono colorate con un colorante basico, il cristal violetto.

2)      Dopo il colorante si allontana con dell’H2O e il preparato viene trattato con la soluzione di Lugol, che contiene iodio e ioduro di potassio, ha lo scopo di rendere più stabile il cristal violetto durante la fase successiva.

3)      Le cellule batteriche sono in seguito trattate con una soluzione decolorante.

4)      Alla fine si colora il preparato con la safranina e si osserva il vetrino al microscopio ottico.

-   I batteri Gram+ risultano colorati di violetto à la parete cellulare è costituita da numeri strati di peptidoglicano che fanno da barriera nei confronti della soluzione decolorante, mentre i pori della membrana sottostante si chiudono e impediscono la fuoriuscita del cristal violetto.

 

- I batteri Gram- risultano essere del colore della safranina, cioè rossi à lo strato di peptidoglicano è molto sottile e il decolorante può rapidamente attraversare la membrana esterna e la parete, provocando la fuoriuscita del cristal violetto. Questo verrà sostituito con la safranina che darà un colore rosso.

Strato S (S-layer)

Sono degli strati proteici che ricoprono la superficie cellulare.

Nei batteri Gram+ queste proteine ricoprono la superficie esterna del peptidoglicano, mentre nei Gram- aderiscono o penetrano nella matrice della membrana esterna.

Funzione à aderire ai substrati e protezione.

Capsula e strato mucoso

Sono degli strati polisaccaridici che ricoprono la parete cellulare.

Capsula à quando è saldamente legato alla parete cellulare e rappresenta la struttura più esterna alla cellula batterica (non tutte le cellule sono ricoperte dalla capsula)

Funzione à adesione della cellula e l’induzione della sintesi di anticorpi, protezione dalla disidratazione e una riserva nutritiva da utilizzare quando l’ambiente non fornisce nutrimenti sufficienti.

Strato mucoso à quando il legame al supporto è più debole

Flagelli

Sono presenti sia nei Gram+ sia nei Gram-.

I batteri si spostano utilizzando il flagello, che spinge il M.O attraverso un mezzo fluido.

I flagelli sono appendici filamentose.

Una delle due estremità del flagello è saldamente legata alla superficie della cellula.

I flagelli possono esser asportati senza che ciò provochi la morte della cellula, ma perderà solamente la capacità di muoversi, ma con il passare del tempo il M.O produrrà dei flagelli nuovi e riacquisterà la capacità di muoversi.

Il flagello è elicoidale con una parte centrale cava, non sono dritto ma presentano una curvatura.

Se ad una estremità della cellula sono attaccati:

-   1 flagelloà monotrichi

-   2 flagelli àanfitrichi

-   1 ciuffo àlofotrichi

-   2 ciuffi à anfilofotrichi

-   lungo tutto il perimetro àperitrichi

il flagello si divide in 3 parti:

il filamento à la parte più esterna, costituito da proteine chiamate flagelline, ancorata alla superficie cellulare mediante

l’uncino à che a sua volta è legato alla parte basale

la parte basale à è strettamente legata alla superficie cellulare

i batteri Gram- à hanno 4 anelli proteici nella parte basale à l’anello L, nei lipopolisaccaridi della  membrana esterna

à l’anello P, nello strato peptidoglicano

à l’anello S e M nella membrana citoplasmatica

nei Gram+ à mancano i 2 anelli più esterni.

Il movimento del flagello è una rotazione attorno al proprio asse, per il movimento è richiesta energia, ottenuta attraverso la forza proton-motrice, che influenza la velocità.

Pili e fimbrie

Sono presenti nei Gram-.

Fimbrie à sono più corte dei pili e consentono al M.O di aderire a superfici inerti.

sono composte da subunità proteiche.

Pili à sono molto più rigidi dei flagelli, sono costituiti da proteine dette pilina, con funzione di aderire ai tessuti

Esistono 2 tipi di pili:

pili di lunghezza ridotta presenti in tutta la superficie cellulare

pili sessuali, coinvolti nel trasferimento di materiale genetico da una cellula maschile a una cellula femminile.

MOVIMENTO DELLA CELLULA

Chemiotassi

I batteri mobili ricercano nell’ambiente le regioni più favorevoli.

Nell’ambiente in cui la cellula vive esistono zone in cui una particolare molecola sia più concentrata che in altre, creando così un gradiente di concentrazione per questa sostanza.

Queste molecole rappresentano sostanze attraenti per le cellule se sono importanti per esse, oppure sostanze repellenti da cui le cellule si allontanano perché sono tossiche.

Questi movimenti vengono chiamati chemiotassi.

-  Se il M.O si muove verso la sostanza attraente si definisce chemiotassi positiva (passa da una  zona con minore concentrazione a una zona con concentrazione maggiore)

-  Se il M.O si allontana dalla sostanza repellente si definisce chemiotassi negativa (da una zona più concentrata una meno).

Fototassi

I batteri fotosintetici possono rispondere agli stimoli luminosi à fototassi

Il fattore che attrae il M.O è rappresentato dalle sorgenti luminose assorbita dai loro pigmenti fotosintetici.

CITOPLASMA

È costituito per la maggior parte di H2O, proteine, sostanze organiche e ioni.

Immersi nel citoplasma ci sono i ribosomi, il cromosoma e degli organuli.

Nucleoide

È il materiale genetico contenuto nella cellula procariotica.

Il cromosoma è una singola molecola circolare di DNA chiuso a legami covalenti, a doppio filamento immerso nel citoplasma e non è rivestito da nessuna membrana ma è libero.

Nel citoplasma si possono trovare anche delle molecole corte di DNA, circolari, chiamate Plasmidi, possono replicarsi autonomamente, le informazioni che contengono non sono essenziali per la sopravvivenza (informazioni accessorie).

Con il termine Genoma si intende il DNA totale contenuto nella cellula quindi cromosomi + plasmidi.

Ribosomi

Sono presenti in tutte le cellule e hanno la funzione di sintesi proteica.

Ribosoma 70s.

È costituito da 2 subunità:

una più piccola à 30s à rRNA 16s                         21 proteine

una più grande à 50s à rRNA 5s + rRNA 23s       34 proteine

L’unità di Svedberg (s) indica la velocità di sedimentazione di particelle sottoposte a centrifugazione, dipende dalle dimensioni, dalla forma e dal volume delle particelle.

Le cellule in fase di crescita ne possono contenere 15000, poi si riduce quando la velocità di crescita del M.O rallenta.

Agendo sulla subunità 50s si può bloccare l’attività dei ribosomi.

Polimeri di riserva

Vengono accumulati nel citoplasma.

Polimeri di riserva:

- glicogeno à composto da unità ripetute di glucosio, rivestiti da membrana

- polifosfato à vengono chiamati granuli metecromatici, funzione di riserva di fosfato

- poli-b-idrossibutirrato àstrutture lipiche

nei batteri che non accumulano polimeri di riserva, i ribosomi e l’RNA cellulare funzionano come maggiore fonte energetica per la cellula , quando la concentrazione di nutrienti è bassa.

Magnetosomi

Alcuni batteri acquatici, microaerofili e mobili, possono orientarsi lungo il campo magnetico terrestre grazie alla presenza dei magnetosomi e determina la direzione di avanzamento, strutture costituite da cristalli di FeO4 (ossido di Fe) o di Fe3S4 (solfuro di Fe) avvolti in una membrana semplice a formare una vescicola.

Prendono il Fe dall’esterno attraverso i siderofori, che sono molecole prodotte verso l’esterno e trasportano il Fe dentro al citoplasma.

Producono all’interno della cellula i cristalli di FeO4 e Fe3S4.

La formazione dei magnetosomi è stimolata dall’assenza di O2 e dalla presenza di N nell’ambiente.

Carbossisomi

Si trova nei batteri chemioautotrofi e nei cianobatteri.

Sono avvolti da membrana e contengono l’enzima responsabile della fissazione della CO2 (ciclo di Calvin).

La sintesi di questo enzima dipende dalla disponibilità di CO2 disponibile nell’ambiente.

Se la CO2 è limitata à la cellula aumenta la sintesi dell’enzima accumulandone grandi quantità nel carbossisoma

Se la CO2 è elevata àla sintesi dell’enzima si riduce

Clorosomi

Si trovano nei batteri verdi sulfurei (ambienti dove la radiazione è molto bassa) e nei batteri verdi filamentosi.

Sono appoggiati alla membrana citoplasmatica, sono racchiusi in una membrana monostratificata costituita da lipidi.

Contengono dei pigmenti antenna e i centri di reazione utilizzati nella fotosintesi.

I pigmenti antenna hanno la funzione di captare le radiazione luminose.

 

Tilacoidi

Sono presenti nei cianobatteri, contengono pigmenti fotosintetici.

Sono dovuti a delle invaginazioni della membrana.

Sono strutture indipendenti, ancorate alla membrana cellulare.

Vescicole gassose

Si trovano nel citoplasma e hanno la funzione di consentire alla cellula di spostarsi nell’H2O.

È costituita da una membrana proteica impermeabile all’H2O, rigida per resistere alla pressione esterna.

È permeabile ai gas ed è riempita di aria.

Le vescicole più piccole sono più resistenti alle pressioni, ma sono meno efficienti per il galleggiamento.

I batteri acquatici regolando il contenuto di gas all’interno della vescicola possono eseguire degli spostamenti verticali.

SPORE ED ENDOSPORE

La spora viene detta endospora perché si forma all’interno della cellula vegetativa.

È una forma di resistenza e sopravvivenza della cellula procariotica, produce le spore in ambienti sfavorevoli, all’inizio modifica il suo metabolismo producendo proteine che servono a reagire alla cellula, quando non sono sufficienti questi processi, danno il via alla sporificazione.

Pericolosità delle spore à resistenti e sopravvivono a lungo.

 

SPORIFICAZIONE

0)      CELLULA VEGATATIVAà con normale metabolismo

I)    FILAMENTAZIONE ASSIALEà avviene la moltiplicazione del DNA e li posiziona in parallelo all’asse della cellula

II)     DIVISIONE ASSIMETRICAà un cromosoma si sposta al confine di un polo della cellula madre, avviene un’invaginazione che isola il materiale genetico della prespora da quello restante.

Inizialmente la prespora contiene solo il 30% del proprio cromosoma, dopo ad un DNA traslocasi provvede a pompare dentro di essa il restante 70%. Insieme al materiale genetico viene catturato anche una piccola porzione di citoplasma con ribosomi e RNA.

III)  INVAGINAZIONE à la cellula madre ingloba al proprio interno la prespora che viene così a trovarsi avvolta da una doppia membrana citoplasmatica, la propria e quella della madre.

Avendo 2 membrane, cessa il suo metabolismo, si disidrata e inizia la criptobiosi (vita latenteà strategia dei batteri per mettere al riparo il proprio DNA per poi  quando ci saranno le condizioni favorevoli, germinare)

IV)  SINTESI DELLA CORTECCIAà le due membrane sintetizzano nello spazio tra esse uno strato di peptidoglicano chiamato corteccia, mentre all’interno della prespora viene incorporata una grande quantità di dipicolinato di Ca.

V)    SINTESI DELLA TUNICAà vi è la sintesi di un altro rivestimento detto tunica, di natura proteica e dopo avviene la sintesi dell’esosporio, lipidico e proteico e la prespora va incontro a disidratazione.

VI)  MATURAZIONEà vengono acquisite le definitive caratteristiche di resistenza

VII) La cellula madre va in lisi e la spora completa viene liberata nell’ambiente

DORMIENZA

La spora  può sopravvivere per periodo molto lunghi per l’assenza di metabolismo, misurata dai livelli di ATP, NADH, NADPH, pari o inferiore 1/1000 rispetto alla cellula vegetativa.

Gli enzimi della spora permettono alla spora di percepire il ritorno alle condizione ambientali favorevoli e riprendere l’attività metabolica.

La germinazione è caratterizzata dall’attivazione di enzimi degradano il peptidoglicano della corteccia, permettendo l’ingresso di H2O, con conseguente rigonfiamento della spora.




Questo provoca la perdita delle caratteristiche di resistenza.

La resistenza delle endospore è dovuta allo spessore e all’impermeabilità della corteccia.

SCISSIONE BINARIA

DNA


La cellula batterica si allunga e il DNA si replica


La cellula inizia a dividersi con distribuzione di una molecola di DNA in ciascuna cellula neoformata


Le 2 cellule lie possiedono molecole di DNA identiche

CURVA DI CRESCITA

Riguarda popolazioni in sistemi chiusi, cioè sistemi dove non vi è la sostituzione del substrato nutritivo e quindi durante la crescita si assiste a delle riduzioni di nutrimenti e l’accumulo dei prodotto metabolici.

1)      FASE DI LATENZA: le cellule, non si dividono, ma svolgono un’intensa attività metabolica, incremento di volume della cellula. È un periodo di adattamento al substrato.

2)      FASE ESPONENZIALE: le cellule esprimono la massima capacità di accrescimento, tutte le cellule si dividono nello stesso tempo.

3)      FASE STAZIONARIA: la popolazione non cresce più, tutte le cellule smettono di dividersi.

La curva di crescita assume un andamento orizzontale, in quanto il num delle cellule che muoiono e quello delle nuove cellule che si formano sono più o meno lo stesso.

4)      FASE DI MORTE: vi è una riduzione del numero di cellule.

Viva e letaleà quando è in grado di riprodursi, metabolismo vitale

Viva e non vitaleà la cellula non si moltiplica, ma ha il metabolismo attivo

Morta à non si riproduce e non ha il metabolismo attivo

Viva ma non coltivabile à non si possono isolare dal loro ambiente e studiare le loro caratteristiche

RICHIESTE AMBIENTALI PER LA CRESCITA MICROBICA

L’ambiente ha una notevole influenza sulla crescita e la sopravvivenza dei M.O.

 

Temperatura

T° minima à al di sotto della quale la crescita si arresta

T° ottimaleà si ha la massima velocità

T° massimaà al di sopra della quale la crescita si arresta

Procarioti:

Psicrofili à T° < 20°C à procarioti, eucarioti

Mesofili à  T° 20-44°Cà i più numerosi                           differenze nella composizione della

Termofili àT° 45-70°Cà batteri e funghi                          membrana cellulare (acidi grassi)

IpertermofiliàT° 70-l00°C

Psicotropi à si sviluppano a T° vicine allo 0°

Stenotermali à crescono in un intervallo di circa 30°C

Euritermali à intervalli > di 30°C

Eucarioti

Lieviti e muffe à T° 25-30°C

Stress termici

Se la T° aumenta o diminuisce al di fuori dell’intervallo di crescita, il M.O subirà uno stress da caldo o da freddo.

Improvvisi abbassamenti o innalzamenti della T° induco la sintesi di proteine da stress, proteine da shock da freddo o da shock termico.

pH

pH minimo à al di sotto del quale lo sviluppo non può avvenire

pH massimo à al di sopra del quale lo sviluppo non può avvenire

pH ottimale à al quale avviene lo sviluppo migliore

acidofili à pH < 7

neutrofili à pH = 7

basofili à pH > 7

lieviti à pH 4,5-6

muffe à pH 2-l1

funghi à pH 5

Omeostasi

È il processo attraverso il quale le cellule mantengono un pH intracellulare costante, rispetto a valori di pH esterno molto ampi.

Reagisce al cambiamento di pH facendo entrare o uscire ioni H+.

Il pH influisce su:

-   ionizzazione

-   attività enzimatica

 

Risposta microbica allo stress acido

Quando passano da un pH ottimale a uno più acido, alcuni batteri attivano un meccanismo di risposta che permette di tollerare lo stress acido, attraverso l’innalzamento del pH interno della cellula per mezzo di produzione di proteine da stress acido.

Risposta allo stress osmotico

I M.O hanno una concentrazione interna di soluti, cioè una pressione osmotica, leggermente superiore a quella dell’ambiente esterno.

Questa condizione è essenziale per la vita, in quanto consente all’H2O di fluire attraverso la membrana plasmatici all’interno della cellula, contribuendo a mantenere lo stato di turgone.

Un eccessivo ingresso di H2O è regolato dalla presenza dalle parete cellulare che, con la sua rigidità, si oppone alla rottura della cellula dovuto a un rigonfiamento.

Se invece la pressione osmotica della cellula viene a essere inferiore a quella dell’ambiente esterno, l’H2O esce dalla cellula, il volume del citoplasma diminuisce, la membrana viene danneggiata e la cellula muore per plasmolisi.

Batteri debolmente alofilià marini, che crescono a concentrazioni saline intorno ai 3-4%

Batteri moderatamente alofilià crescono a concentrazioni saline al 5-20%

Batteri estremamente alofilià a concentrazioni saline al 36%

Strategia salt-in à i batteri estremamente alofili, le cellule per contrastare lo stress, assimilano dall’esterno i sali per equilibrare i sali all’interno ed esterno.

Strategia salt-onà batteri debolmente e moderatam alofili, le cellule aumentano la loro pressione quindi i soluti (sali).

Ossigeno

Aerobi obbligatià richiedono O2, utilizzandolo come accettore finale di e-.

Anaerobi obbligatià non hanno bisogno di O2, per loro è tossico, utilizzano accettori di e- differenti dall’O2.

Anaerobi facoltativià possono modificare il loro metabolismo tra aerobio e anaerobio.

Anaerobi aerotollerantià insensibili all’O2, non sono capaci ad utilizzare l’O2, ma se è presente non è un problema.

MACRONUTRIENTI

Carbonioà autotrofià utilizzano C inorganico (CO2)

à eterotrofià utilizzano fonti organiche di C

azotoà costituisce gli amminoacidi e le baso azotate, viene utilizzato in forma elementare N2 dai   batteri azotofissatori, che lo prelevano direttamente dall’atmosfera e lo riducono a NH4+.

 I M.O incapaci di fissare l’N2, lo utilizzano in forma combinata organica e inorganica  (nitriti, nitrati e ammonio).

Ossigeno, Na, K

Fosforo àesiste sotto forma di fosfati organici e inorganici (PO43-), necessario per la sintesi di acidi nucleici, fosfolipidi e ATP.

Fe à cofattore di proteine, lo assimilano mediante i siderofori

MICRONUTRIMENTI

FATTORI DI CRESCITA

Sono composti organici necessari in piccole quantità, la cui presenza è indispensabile nel terreno colturale di alcuni M.O che non sono in grado di sintetizzarli.

Vitamineà alcuni organismi sono incapaci di sintetizzarle e quindi hanno bisogno di assorbirle dal mezzo di crescita.

Amminoacidi

I GRUPPI NUTRIZIONALI

Tutti i M.O necessitano di una fonte di C e di una fonte di energia.

(autotrofià se utilizzano CO2 come fonte principale, eterotrofià utilizzano C organico)

fotoautotrofià utilizzano la luce come fonte energia e la CO2 come fonte di C

à batteri fotosintetici e i cianobatteri

fotoeterotrofià utilizzano la luce solare come fonte energia e composti organici come fonte di C

à batteri rossi e verdi

chemioautotrofià utilizzano l’energia chimica e la CO2 come fonte di C

à batteri nitrificanti

chemioeterotrofià utilizzano substrati organici come fonte sia di C sia di energia

à funghi, protozoi e la maggior parte dei batteri

BIOMASSA MICROBICA

-   Si intende la materia vivente nel suolo.

-   L’equilibrio della biomasse nel suolo è molto dinamico e quindi complesso.

-   Metodi coltura-dipendenti --> è necessario coltivarli in laboratorio, farli crescere.

-   Metodi di coltura-indipendenti --> non è necessario coltivarli in laboratorio.

-   Bisogna esser un grado di interpretare i risultati.

-   Ci interessa sapere: la quantità, la composizione microbica del suolo e la determinazione dell’attività (perché solo gli organismi attivi interagiscono con l’ambiente).

Progetto di ricerca

·        Deve essere chiara la domanda (es.se ci sono batteri in grado di degradare la sost. org., ma non la degradano?)

·        Si deve decidere la strategia di campionamento, che influenza tutti i dati che si otterranno:

                        -  numero di campioni

                        -  distribuzione spaziale

                        -  distribuzione temporale (le stagioni influenzano le pop.microbiche)

                        -  statistiche

·        Bisogno di analisi chimiche (es. pH, tessitura, T°, O2)

Analisi microbiologiche e biochimiche dei suoli

·        Isolamento--> ottenere i batteri in coltura pira, isolato dagli altri.

·        Conte microbiche



·        Attività microbiche--> se si vuole valutare si va a vedere quanto ATP viene prodotto

·        Attività enzimatiche--> es. vedere se c’è nitrificazione, attività specifiche di un enzima

·        Indici di biomassa--> sono misure chimiche come  indici di presenza microbica.

·        Struttura della comunità-->estrarre DNA

Conservazione del campione

·        Influenza il risultato,si deve prelevare molto velocemente e portare il laboratorio.

·        Conservo il campione a 4°C e poi lo analizzo, non si deve congelare se no avviene la lisi dele cellule.

·        Si può conservare a –80°C con glicerolo, ma di solito non si congela.

·        Si può liofilizzare--> i campioni che per l’analisi DNA possono essere conservati molto a lungo, subiscono variazioni ma non come congelare.

·        Si ha una distribuzione della popolazione non omogenea, perché il suolo non è omogeneo, allora devo omogeneizzare il campione.

·        Estrazione delle cellule dal suolo--> le cellule batteriche sono fortemente connesse alle superfici del suolo, la strategia per portarle in soluzione è difficile, in realtà di tira fuori dal suolo il 10% delle cellule.

Sterilità in laboratorio

È importante sterilizzare tutti i materiali se no si contamina il campione.

Viene utilizzato:

-   il calore umido (vapore) sotto pressione nelle autoclave

-   stufe a secco

-   raggi a gamma per le plastiche che si sciolgono

terreno di coltura è una miscela di composti biologici o sintetici, organici o inorganici, capace di fornire un ambiente ottimale  per la crescita di un particolare tipo di M.O.

ci sono:

-  terreni liquidi e solidi

-  terreni minimi--> solo sali minerali

-  terreni sintetici--> sia composti organici che inorganici

-  complessi-->ricci di substrati organici.

METODI COLTURA DIPENDENTI

Isolamento dei batteri

Ottenere su una piastra solo un ceppo batterico.

-  Isolamento diretto e isolamento per arricchimento

isolamento per arricchimento

i M.O sono poco numerosi, si utilizza un mezzo nutritivo di coltura favorevole solo per quei batteri che voglio isolare.

Fatto l’arricchimento nella soluzione liquida, li trapianto su un mezzo solido e li isolo.

Isolamento diretto (è uguale ma senza l’arricchimento)

Si utilizza quando i M.O da isolare sono numerosi, e si desidera isolare M.O diversi ma con caratteristiche comuni.

Il campione da cui si isolano poi dei M.O si diluisce e una parte di essa viene inoculata su terreno solido in Piastra Petri, in questo modo i M.O presenti nel campione vengono distribuiti sulla superficie del terreno agarizzato.

L’Agar è come la gelatina ed insieme ai nutrienti forma il substrato della colonia

Per ottenere colonie isolate su terreno solido si utilizza lo strascico, lo spatolamento e l’inclusione in piastra.

SVANTAGGI DEI METODI DELLA COLTURA DIPENDENTE

Non va bene per identificarli e contarli e poi non tutte le specie sono coltivabili.

METODI COLTURA INDIPENDENTI

Tecniche molecolari

Sono più rapidi ed usati quando non si riesca a far nulla con le tecniche classiche.

SINTESI DELLE PROTEINE

DNA-> acido deossiribonucleico

È un acido nucleico costituito da lunghe catene chiamati nucleotidi.

Ogni nucleotide è composto dallo zucchero (deossiribosio), un gruppo fostato e le basi azotate (adenina, timina, citosina e guanina).

Costituito da una doppia elica con legami H, dove le basi azotate di un’elica si legano all’altra elica legandosi :

adeninaàtimina     citosinaàguanina

RNA->acido ribonucleico

È un acido nucleico costituito da lunghe catene chiamati nucleotidi.

Ogni nucleotide è composto dallo zucchero (ribosio), un gruppo fostato e le basi azotate (adenina, uracile, citosina e guanina).

Costituita da 2 fasi:

-   trascrizione

-   traduzione

Trascrizione

Avviene nel nucleo nel caso delle cellule eucariotiche e nel citoplasma nei procarioti.

Questo processo porta alla formazione di una molecola di mRNA partendo da una molecola di DNA usata come stampo.

La trascrizione ha inizio quando l’RNA-polimerasi si lega sul DNA, ad una sequenza +/- lunga di basi azotate, detta promotore.

L’enzima riconosce il promotore, si aggancia, apre la doppia elica e comincia a spostarsi lungo il gene che dev’essere trascritto dove forma una nuova molecola di mRNA  con la regola della complementarietà, però l’adenina si appaia all’uracile e non alla timina.

La trascrizione si blocca quando l’enzima incontra una sequenza di terminazione collocata alla fine del gene sul DNA stampo.

Traduzione

È la fase in cui l’informazione genetica che era inizialmente contenuta nel DNA e poi trasferita all’mRNA viene trasformata in proteina, quindi si passa da una sequenza di nucleotidi a una sequenza di aminoacidi.

La traduzione avviene nel citoplasma dove l’mRNA si lega ai ribosomi.

In questo processo interviene anche il tRNA che fa da interprete cioè converte il messaggio fatto da amminoacidi in proteine.

TRASFERIMENTO GENICO NEI BATTERI

I batteri si creano nuove specie non solo per mutazioni ma anche per trasferimento dell’informazione genetica:

(le cellule che donano il DNA sono dette cellule donatrici e le altre riceventi)

-         Trasferimento genetico verticale à dalla cellula madre alla prole

-         Trasferimento genetico orizzontale à può avvenire in 3 modi:

Traformazione:

il trasferimento del DNA può avvenire solo in cellule che si trovano nello stadio vitale detto competente. In questo momento la cellula è capace di legare il DNA e di farlo entrare al proprio interno.

Prima però deve seguire un eventi di ricombinazione, per consentire l’incorporazione del DNA esogeno nel proprio genoma e quindi assicurarne la replicazione.

Solo una piccola frazione di geni di una cellula può essere trasferita da una cellula all’altra.

Questa è una via artificiale semplice per muovere in laboratorio geni da un batterio all’altro.

Coniugazione:

le cellule batteriche trasferiscono DNA alle cellule con le quali sono entrare

in contatto fisico e avviene se la cellula donatrice contiene plasmidi coniugativi compatibili con quelli già presenti nella cellula ricevente.

I plasmidi sono responsabili della sintesi dei pili sessuali, che si estroflettono dalla cellula donatrice, dotate di recettori adesivi sulle loro estremità, in modo da legarsi alla parete cellulare della cellula recevente.

Questo contatto consente il passaggio di DNA da una cellula all’altra.

Trasduzione:

è il trasferimento dei geni da una cellula batterica a un’altra mediante un batteriofago.

Esistono 2 tipi di traduzione: generalizzata e specializzata.

TASSONOMIA

Classificazione

Raggruppamento dei M.O in base alle somiglianze.

Sistema di classificazione filogeneticoà similitutidini genetiche e vicinanza evolutiva

Sistema di classificazione fenetico/artificialeàsono simili morfologicamente

Nomenclatura

Assegnazione di un nome ai gruppi tassonomici secondo regole internazionali

Nome genere + nome specie

Identificazione

Descrizione delle caratteristiche, permette la collocazione tassonomica di un M.O

M.O DECOMPOSITORI DELLA SOSTANZA ORGANICA

Demolizione della cellulosa

- in aerobiosi

la svolgono i funghi e batteri

prevalenza di funghi in suoli acidi

maggiore competizione

produce degli zuccheri semplici e solubili (glucosio e cellobiosio)

i prodotti finali della degradazione della cellulosa inibiscono le cellulasi, consumandoli, la flora non cellulosolitica permette l’azione della microflora cellulosolitica.

- in anaerobiosi

intervengono i batteri mesofili e termofili

demolizione preceduta da secrezione sostanza gialla

cellulosomiàcomplessi multienzimatici immobilizzati

scissione extracellulare fino a glucosio

prodotti di fermentazione (etanolo, acetato, H2 e CO2)

vengono prodotti etanolo,CO2, acidi organici e CH4

funghi e batteri cellulosolitici contengono enzimi che agiscono in sinergia, e vi sono 3 gruppi:

- endoglucanasià rompono i legami

- esoglucanasià liberano il cellobiosio

- b-glucosidasiàrottura del cellobiosio in 2 molecole di glucosio

Amido

Principale  riserva dei carboidrati, catena di glucosio, deriva dall’amilosio e dall’amilopectina.

Demolizione dell’amido

La capacità di degradare l’amido è molto comune tra M.O

Funghi

In condizioni di anaerobiosià degradazione dell’amido dovuta agli azotofissatori

 la degradazione può portare a guadagno di azoto nel suolo

Vi sono 3 tipi di demolizione:

·        Fosforilasi (intracellulare)à riutilizzazione dei polisaccaridi immagazzinati nelle cellule e si libera glucosio

·        Idrolisi (extracellulare)àad opera di amilasi

       -  enzimi molto diffusi nei vegetali, animali e M.O

       -  a-amilasi: attacco contemporaneo di molti legami a-l,4

       -  b-amilasi: attacco a un estremità della catena dei legami a-amilasi

       -  per la degradazione completa si ha bisogno di enzimi deramificanti

·        Tranglicosilazione (extracellulare)à produzione a partire dall’amido, di composti cristallini costituiti da glucosio

       -  enzima: transglicosi

Lignina (già scritta)

Degradazione della lignina

- in presenza di microflora generica attiva (consumatrice di carboidrati semplici), decompongono la lignina attorno alle fibre di cellulosa

- il substrato si trasforma in una massa marcescente fibrosa biancastra

Schema attacco enzimatico lignina

1)     Per ossidasi à produzione H2O2, molecole radidaliche, attacco legami etere C-C, liberazione di composti fenolici

2)     Fenolo-ossidasi

3)     Ossigenasi

 

Xilano

Emicellulosa

Demolizione più rapida rispetto alla cellulosa

Enzimi: xilanasi

Tutti i funghi sono in grado di degradare gli xilani

I batteri hanno xilanasi costitutive ed indotte

Quali M.O attacchino per prima dipende dalle condizioni ambientali

Degradazione chitina

Funzione di sostegno nel regno vegetale e animale

Componente più importante della parete cellulare di molti funghiàaspergillus e mucor

Molti organismi con capacità chitinoliticheàsubstrato continuamente disponibile

In anaerobiosi viene demolita dai chitinolitici anaerobi obbligati molto specializzati

I MARCIUMI

Vi sono 3 tipi:

1)      Marciume biancoà causato dai White rot fungi

Sono quelli più diffusi

Attaccano la lignina per esporre la cellulosa e l’emicellulosa

Possono degradare la cellulosa attraverso l’attività di esoglucanasi, endoglucanasi e b-glucosidasi

Molti basidiomyceti

Necessità di N

Ambienti: foreste di latifoglie, tropicali e conifere

2)      Marciume brunoà causato dai Brown rot fungi

Attaccano la cellulosa, l’emicellulosa e un po la lignina

Degradano la cellulosa producendo solo endoglucanasi

Ambienti: foreste di conifere

Trasformazione del legno in una massa bruno-rossiccia

3)      Marciume molleà  causato dai Soft rot fungi

Attaccano il legno saturo di H2O ma non completamente anaerobico

Attacco di cellulosa ed emicellulosa e poco la lignina

 

 

 


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