Helena Curtis N Sue Barnes Copyright 2009 Zanichelli

CARATTERISTICHE DEI BATTERI INDICE § § § § La cellula procariote Classificazione dei procarioti Caratteristiche degli Archeobatteri Eubatteri: morfologia, parete, metabolismo, importanza Batteri patogeni Antibiotici Ricombinazione genica nei batteri: coniugazione, trasformazione, trasduzione § Link a: plasmidi, isoprenoidi, NAM e NAG, azione antibiotica, scissione binaria Copyright © 2009 Zanichelli editore

I batteri Sebastian Kaulitzki / Shutterstock Le più antiche forme di vita, comparse sulla Terra più di 3 miliardi di anni fa, sono caratterizzate da un’organizzazione cellulare procariote. Tra esse ci sono i batteri Copyright © 2009 Zanichelli editore

La cellula procariote § I procarioti hanno piccole dimensioni (da 1 a 10 µm) § Non presentano organuli circondati da membrana § Possiedono una parete cellulare che li protegge dalla lisi osmotica § Dispongono di materiale genetico posto nel nucleoide e costituito da un cromosoma che contiene DNA § Oltre al DNA cromosomico, la maggior parte dei procarioti contiene altre molecole di DNA chiamate plasmidi Copyright © 2009 Zanichelli editore

Classificazione dei batteri I batteri sono classificati in due domini derivati da una cellula antenata comune: quello degli Archea e quello degli Eubacteria (*) Cianobatteri, batteri verdi e alcuni batteri purpurei sono fotosintetici Copyright © 2009 Zanichelli editore

Caratteristiche degli archeobatteri Gli archeobatteri sono i procarioti più antichi e hanno una struttura peculiare che li distingue dagli eubatteri: § possiedono enzimi caratteristici § hanno una parete cellulare composta da proteine, polisaccaridi o molecole di glicopeptidi § l’impalcatura delle loro membrane cellulari è costituita da lipidi contenenti glicerolo e isoprenoidi § possiedono un pigmento sensibile alla luce rossa, la alorodopsina (molto simile alla rodopsina, presente anche nella retina dei vertebrati) § possono vivere negli ambienti più inospitali, come le saline o le sorgenti termali Copyright © 2009 Zanichelli editore

Raggruppamenti di archeobatteri In base all’ambiente in cui vivono gli archeobatteri si distinguono in: § Aerobi § Anaerobi obbligati o facoltativi § Alofili, si trovano in ambienti molto salati, come i mari chiusi o le saline § Termoacidofili, vivono in zone estremamente calde, anche vicino ai 100 o C, e a valori di p. H molto bassi § Acidofili, popolano ambienti in cui il terreno ha un p. H molto acido § Metanogeni, abitano nelle paludi, nel tubo digerente di certi animali o all’interno di protozoi e sintetizzano metano a partire da anidride carbonica e idrogeno gassoso Copyright © 2009 Zanichelli editore

Habitat degli archeobatteri Grotte Lago salato Geyser Saline Copyright © 2009 Zanichelli editore

Eubatteri: morfologia Gli eubatteri hanno colonizzato un’enorme quantità di habitat: acque dolci e salate, regioni fredde e regioni calde, terreni fangosi e sedimenti marini. Si trovano anche all’interno di altri organismi come insetti, molluschi e mammiferi In base alla loro forma si possono catalogare in: § § § Copyright © 2009 Zanichelli editore Bacilli, a bastoncino Cocchi, sferici Spirilli, a elica Bacillococchi, ovali Vibrioni, a virgola

Eubatteri: parete La parete cellulare degli eubatteri contiene uno speciale composto chiamato peptidoglicano, un glicopeptide formato da acido N-acetil muramico (NAM) e Nacetilglucosammina (NAG) uniti tra loro da ponti peptidici A seconda del tipo di parete i batteri si distinguono in: Gram positivi e Gram negativi Copyright © 2009 Zanichelli editore

Gram+ La parete dei batteri Gram positivi è costituita prevalentemente da peptidoglicano, oltre che

Gram. La parete dei Gram negativi è formata da due strati: un sottile strato di petidoglicano e uno strato lipoproteico simile alla membrana plasmatica Molecole caratteristiche dei Gram– sono i lipopolisaccaridi, dotati di potere tossico e pirogeno Copyright © 2009 Zanichelli editore

Come si distinguono i Gram+ dai Gram. Nel 1884 il medico danese Hans Joachim Christian Gram mise a punto un metodo di colorazione che permette di distinguere i batteri in base alla quantità di peptidoglicano contenuto nella loro parete cellulare Gram + Copyright © 2009 Zanichelli editore Gram -

Colorazione di Gram I batteri che restano colorati di viola sono i Gram positivi, mentre quelli che non trattengono il colorante e diventano rossi sono i Gram negativi Copyright © 2009 Zanichelli editore

Spore § Quando le condizioni ambientali diventano sfavorevoli, molti batteri Gram+ sono in grado di ricoprire la propria zona nucleare con una struttura particolarmente resistente, formando una spora § Le spore possono resistere per centinaia di anni in uno stato metabolicamente inattivo. Quando le condizioni ritornano ottimali la spora si differenzia in cellula batterica e il ciclo vitale ricomincia Copyright © 2009 Zanichelli editore

Modalità di nutrimento I batteri possono essere: eterotrofi autotrofi → → saprofiti → decompositori patogeni parassiti o simbionti → → fotosintetici chemiosintetici Copyright © 2009 Zanichelli editore utili

Batteri saprofiti Si nutrono di materiale organico morto e, insieme ad altri organismi (per esempio i funghi) restituiscono al terreno i sali minerali, come i nitrati, che poi vengono nuovamente utilizzati dalle piante per produrre sostanze organiche Copyright © 2009 Zanichelli editore

Batteri eterotrofi patogeni La maggior parte delle infezioni umane è provocata da batteri patogeni. Malattie come la peste, il colera, la polmonite o la meningite sono causate da batteri che possono trasmettersi direttamente o indirettamente da un individuo all’altro A seconda delle infezioni gli agenti patogeni si localizzano in un diverso organo: Serratia marcescens: responsabile di infezioni urinarie Copyright © 2009 Zanichelli editore Pseudomonas cepacia: provoca infezioni polmonari

Antibiotici Nel 1929 Alexander Fleming, un medico scozzese ricercatore presso il St. Mary's Hospital di Londra, scoprì la penicillina: la prima sostanza conosciuta e studiata capace di combattere i batteri e di sconfiggere malattie precedentemente mortali. La penicillina fu il capostipite di una famiglia di farmaci ad azione antibiotica Formula della penicillina Copyright © 2009 Zanichelli editore

Batteri simbionti dell’uomo Nell’intestino umano vivono circa 300 -500 differenti specie di batteri (la “flora batterica intestinale”) sia anaerobi (come bifidobacterium) sia aerobi (come l’escherichia e l’enterobacter) La flora batterica intestinale svolge importanti funzioni: § protegge l’organismo dall’attacco dei microrganismi nocivi § scinde le sostanze alimentari sfuggite alla digestione e all’assorbimento nell’intestino tenue, rendendo disponibili per il nostro organismo vitamine, sali minerali e altri micronutrienti § produce la vitamina K, importante per la corretta coagulazione del sangue, il buon funzionamento del fegato e la calcificazione delle ossa § produce la vitamina B 12, importante per la riproduzione delle cellule e per la sintesi dell’emoglobina Copyright © 2009 Zanichelli editore

Batteri simbionti degli erbivori Gli erbivori non sono in grado di digerire la cellulosa contenuta nei vegetali, ma riescono a farlo grazie all’intervento dei batteri che colonizzano il loro sistema digerente Nell’ambiente caldo e molto umido del sistema digerente degli erbivori i batteri si sviluppano velocemente e attaccano le fibre vegetali L’azione dei batteri libera il glucosio dalla cellulosa e lo rende disponibile per l’assorbimento Copyright © 2009 Zanichelli editore

Batteri azotofissatori Alcuni batteri sono in grado di trasformare l’azoto atmosferico (N 2) in una forma facilmente assimilabile per le piante, come l’ammoniaca Il genere Rhizobium è caratterizzato da numerosi ceppi che entrano in simbiosi con specie vegetali a rapido accrescimento e in particolare con le leguminose erbacee Copyright © 2009 Zanichelli editore

Cianobatteri I cianobatteri contengono clorofilla a e attuano la fotosintesi, grazie alla quale liberano ossigeno Hanno un sistema di membrane distribuito nella zona periferica della cellula in cui sono contenuti i pigmenti fotosintetici Vivono nelle acque dolci; talvolta si trovano sottoforma di cellule autonome, ma più spesso formano raggruppamenti, filamenti o catene Copyright © 2009 Zanichelli editore

Solfobatteri e batteri chemioautotrofi § I solfobatteri verdi e purpurei sono fotosintetici, ma possiedono pigmenti diversi da quelli che si trovano nei cianobatteri. Scindono la molecola di acido solfidrico (H 2 S) e di altri composti invece della molecola d’acqua e non liberano ossigeno § I batteri chemioautotrofi si procurano l’energia ossidando molecole inorganiche, quali certi composti dell’azoto, dello zolfo e del ferro. Questi batteri sono gli unici organismi capaci di utilizzare i composti inorganici come fonte di energia Copyright © 2009 Zanichelli editore

Genetica batterica § I batteri si riproducono per scissione binaria, un tipo di riproduzione § asessuata che dà origine a cellule figlie geneticamente identiche a quella di partenza Nel passaggio da una generazione all’altra non si ha rimescolamento genico Nei batteri il trasferimento di geni può avvenire attraverso tre processi: • la coniugazione, ovvero il trasferimento diretto di DNA da un batterio all’altro mediante plasmidi • la trasformazione, mediante cui una cellula cattura frammenti di DNA dall’ambiente circostante • la trasduzione, cioè il passaggio tra cellule di materiale genetico batterico mediante virus Copyright © 2009 Zanichelli editore

Coniugazione La coniugazione è il processo in cui il DNA del plasmide è trasferito da un batterio donatore a un ricevente attraverso un ponte citoplasmatico, formato da appendici dette pili. Le cellule F- (riceventi) sono prive di plasmide, quelle F+ (donatrici) lo contengono Copyright © 2009 Zanichelli editore

Trasformazione La trasformazione si verifica quando un batterio cattura dall’ambiente extracellulare un filamento di DNA appartenuto a un altro batterio morto Il DNA estraneo si inserisce nel cromosoma batterico modificandone il patrimonio genetico Possono compiere la trasformazione solo quei batteri che posseggono speciali proteine, dette fattori di competenza, che facilitano la cattura, l’ingresso e l’inserimento del DNA estraneo Copyright © 2009 Zanichelli editore

Trasduzione La trasduzione avviene quando un virus, che ha infettato un batterio e ha acquisito parte del suo genoma, penetra in un secondo batterio inserendovi il materiale genetico derivante dal primo batterio infettato La trasduzione può essere generalizzata o specializzata a seconda del DNA batterico che viene trasportato Copyright © 2009 Zanichelli editore

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Plasmidi I plasmidi sono più piccoli del cromosoma batterico e contengono in genere uno o due geni, anche se quelli più grandi ne possono avere anche diverse decine Si distinguono in: § plasmidi degradativi. Consentono ai batteri di metabolizzare determinate sostanze, anche tossiche, come alcuni residui del petrolio o pesticidi; § plasmidi Col. Codificano per le colicine, proteine in grado di uccidere altri batteri; § plasmidi della virulenza. Trasformano le cellule ospiti in patogene; § plasmidi F. Consentono ai batteri di scambiare tra loro materiale genetico; § plasmidi R. Conferiscono resistenza ad alcuni antibiotici Copyright © 2009 Zanichelli editore

Isoprenoidi Nelle membrane cellulari degli eubatteri e degli organismi eucarioti sono presenti fosfolipidi costituiti da glicerolo unito con legami estere a due acidi grassi e a un acido fosforico Negli archeobatteri il glicerolo è unito con legame etere a due isoprenoidi. Gli isoprenoidi sono lipidi costituiti da unità ripetute di 5 atomi di carbonio (isoprene), che formano lunghe catene sature Copyright © 2009 Zanichelli editore

NAM e NAG Copyright © 2009 Zanichelli editore

Azione antibiotica § Attualmente con il termine antibiotico si indica un farmaco, di origine naturale o di sintesi, in grado di rallentare o fermare la proliferazione dei batteri § Gli antibiotici si distinguono in: • batteriostatici (che bloccano la riproduzione del batterio, • impedendone la scissione) battericidi (che uccidono il microrganismo) § La penicillina impedisce l’azione dell’enzima che catalizza la formazione dei legami trasversali durante la sintesi del peptidoglicano costituente la parete batterica: senza parete i batteri vanno incontro alla lisi osmotica e muoiono Copyright © 2009 Zanichelli editore

Scissione binaria § La divisione di un procariote comporta la duplicazione del cromosoma batterico e la migrazione delle due molecole ai lati opposti della membrana: quando la cellula si allunga, i cromosomi si trovano ancorati alla membrana da parti opposte § Al termine del processo di allungamento la membrana e la parete si ripiegano al centro formando due cellule figlie perfettamente identiche alla cellula madre Copyright © 2009 Zanichelli editore