Biologia Cellulare e Microbiologia: La Cellula Batterica e i Biofilm

Charles Darwin e l'Evoluzione

Charles Darwin Darwin formulò la sua teoria dell'evoluzione per selezione naturale grazie alle osservazioni compiute durante un viaggio intorno a l mondo. Grazie allo studio dei fossili, egli si convinse del cambiamento delle specie nel tempo.

L'Antropocene e l'Evoluzione Umana

L'Antropocene è il nome sempre piú accettato per riferirsi all'era geologica attuale, in cui si riconoscono gli ettetti indelebi- li della civiltà umana sui sistemi fisici e biologici del pianeta. L'Antropocene ha rivisto le regole dell'evoluzione. Il fitness biologico - definito come il successo nel business della sopravvivenza e della riproduzione - si è sempre piú imperniato sulla compatibilità con l'azione dell'uomo. Notiamo però che in questo caso rimane inespresso un paradosso ben piú sinistro: la crescita numerica degli esseri umani ha anche riscritto le regole del gioco per i coinquilini microbici del nostro pianeta.

Popolazione Mondiale e Italiana

Popolazione mondiale 8.069.686.782 circa Popolazione italiana 58.800.621 circa

Distribuzione della Popolazione per Continente

America del Nord 750 Min Europa 602 Mln 1,4 Mld 439 Min Sud America Africa 4,7 Mld Oceania 44 Mln Asia

Struttura della Cellula Batterica

- CELLULA BATTERICA RAPPORTI CON L'AMBIENTE Flagello MRNA Chaperonina Motore flagellare Membrana esterna Proteosoma Membrana plasmatica RNA polimerasi Peptidoglicano DNA Piruvato deidrogenasi DNA polimerasi Spazio periplasmatico ATP sintetasi La sezione trasversale del batterio Escherichia coli (è un batterio gran-); disegno all'ingrandimento di un milione di volte. Nella parte superiore della figura sono visibili il glicocalice, il flagello, la parete cellulare Gram-negativa e la membrana plasmatica. La matrice citoplasmatica sottostante è piena di ribosomi che sintetizzano proteine. In basso a destra si vede il nucleoide, con la massa intricata del DNA e le proteine a essa associate. Si notino l'alto grado di organizzazione e il denso impacchettamento delle strutture sia nella matrice citoplasmatica sia nel nucleoide.

Sistemi di Secrezione Batterica

SISTEMI DI SECREZIONE BATTERICA La maggior parte delle molecole biologicamente importanti non riesce ad entrare passivamente nella cellula. Il trasporto è dunque un processo fondamentale per le funzioni vitali in quanto permette l'accumulo di nutrienti all'interno della cellula contro un gradiente di concentrazione.

Principi del Trasporto di Membrana

I principi del trasporto di membrana I doppi strati lipidici privi di proteine sono impermeabili agli ioni che per la carica e per l'alto grado di idratazione non possono permeare la fase idrocarburica del doppio strato.

Fattori che Influenzano la Velocità di Diffusione

Fattori che influenzano la velocità di diffusione attraverso una membrana cellulare: ● Solubilità nei lipidi . Dimensione molecolare ● Spessore della membrana ● Gradiente di concentrazione ● Area di superficie della membrana ● Composizione dello strato lipidico

Area di superficie della membrana Solubilità nei lipidi Dimensione delle molecole Concentrazione fuori dalla cellula 1 Spessore della membrana Composizione dello strato lipidico Gradiente di concetrazione > Concentrazione all'interno della cellula

Trasporto di Membrana e Necessità Energetiche

RibosomiNECESSITÀ ENERGETICHE trasporto passivo trasporto attivo Non richiede altra energia che quella del moto molecolare TRASPORTO DI MEMBRANA Richiede energia dall'ATP Diffusione > Endocitosi > Esocitosi Diffusione semplice Diffusione facilitata Trasporto attivo secondario genera un gradiente di concentrazione per Trasporto attivo primario Fagocitosi La molecola passa attraverso il doppio strato lipidico Trasporto mediato che richiede una proteina di membrana Richiede una vescicola limitata da membrana

Acquaporine e Necessità Fisiche

NECESSITÀ FISICHE Acquaporine Le acquaporine si trovano in organismi molto diversi, dai batteri all'uomo. Sono formate da quattro catene proteiche identiche, ogni catena possiede un piccolo canale al centro che consente il passaggio delle molecole d'acqua una alla volta, in fila indiana. Il foro più grande che si trova al centro delle quattro catene, invece, è circondato da amminoacidi apolari e quindi non consente il passaggio di acqua. Il canale per il passaggio di acqua si trova in mezzo ad ogni monomero, ogni singola subunità proteica è dotata di 5 anse (3 extracellulari e 2 citosoliche) due delle quali (B ed E) si ripiegano per delimitare un poro per il passaggio di acqua, che avviene attraverso il passaggio di una molecola alla volta. Ogni subunità è formata da 6 dei domini transmembrana, che attraversano il doppio strato lipidico della membrana cellulare.

Struttura della Subunità Proteica

A E Ambiente extracellulare SUBUNITA' PROTEICA Ambiente intracellulare a b C a c HON COOH B D Le anse B ed È affondano nello spessore della membrana con andamento antiparallelo formando uno stretto poro del diametro di 3,8 A, estremamente selettivo per le molecole d'acqua.

Assunzione di Nutrienti nella Cellula Batterica

ASSUNZIONE DI NUTRIENTI DA PARTE DELLA CELLULA BATTERICA Le 3 tipologie di sistemi di trasporto più comuni nei batteri sono: . il trasporto semplice la traslocazione di gruppo · i sistemi di trasporto ABC (ATP-binding cassette)

La Diffusione Passiva

LA DIFFUSIONE PASSIVA La diffusione passiva, è il processo con cui le molecole si spostano da una regione di alta concentrazione a una in cui la loro concentrazione è minore, per effetto dell'agitazione termica casuale. Il tasso della diffusione passiva dipende dall'entità del gradiente di concentrazione fra interno ed esterno della cellula.

La Diffusione Facilitata

LA DIFFUSIONE FACILITATA La velocità di diffusione attraverso le membrane dotate di permeabilità selettiva aumenta notevolmente per l'intervento di proteine trasportatrici (o carrier), chiamate anche permeasi, incluse nella membrana plasmatica. Poiché il processo è aiutato dall'azione dei carrier, in questo caso si parla di diffusione facilitata.

Modello della Diffusione Facilitata

Modello della diffusione facilitata. La proteina di membrana con funzione di carrier può cambiare conformazione in seguito al legame con una molecola di soluto esterna, che poi viene rilasciata all'interno della cellula. Successivamente la proteina riacquista la forma originale, orientata verso l'esterno, ed è pronta a legare un'altra molecola di soluto.IL TRASPORTO ATTIVO I microrganismi spesso vivono in habitat caratterizzati da fonti di nutrienti molto diluite e, per crescere bene, devono riuscire a trasportare e a concentrare questi nutrienti al proprio interno. Perciò i meccanismi della diffusione facilitata non sempre sono adeguati. In queste situazioni i principali meccanismi di trasporto consistono nel trasporto attivo e nella traslocazione di gruppo, processi che sono entrambi energia-dipendenti. È il meccanismo che permette il movimento dei soluti contro il loro gradiente di concentrazione, cioè in direzione di concentrazioni più alte, tramite l'input di energia metabolica.

Classi di Trasporto Attivo

Principali classi di trasporto attivo associati alla membrana TRASPORTO SEMPLICE: Controllato dall'energia associata alla forza protone-motrice. TRASLOCAZIONE DI GRUPPO Modificazione chimica della sostanza trasportata, controllata dal fosfoenolpiruvato. SISTEMA ABC: Coinvolge proteine di legame periplasmatiche e l'energia è fornita dall'ATP.

Energia Associata alla Forza Protone-Motrice

Energia associata alla forza protone-motrice Per ottenere l'energia per il trasporto attivo, i batteri si servono anche di gradienti di protoni generati durante il trasporto di elettroni. Un caso molto ben studiato è quello del lattosio/permeasi di E. coli. Questa permeasi è una proteina con peso molecolare di circa 30 000 dalton che trasporta una molecola di lattosio della cellula, simultaneamente all'ingresso nella cellula di un protone.

Meccanismo del Trasporto Attivo

Meccanismo del trasporto attivo mediante i gradienti di protoni e di ioni sodio. Il meccanismo può essere: · Simporto · Antiporto · Uniporto

Traslocazione di Gruppo

Traslocazione di Gruppo: modificazione chimica della sostanza trasportata, controllata dal fosfoenolpiruvato Nel trasporto attivo le molecole di soluto passano attraverso la membrana senza subire modificazioni, ma molti procarioti assumono molecole dall'esterno anche tramite il meccanismo della traslocazione di gruppo, un processo in cui il trasporto di una molecola entro la cellula è associato alla sua modificazione chimica. Il sistema di traslocazione di gruppo meglio studiato è il sistema fosfotransferasico fosfoenolpiruvato: zucchero PTS. Nelle cellule procariotiche questo sistema è adibito al trasporto entro la cellula di una varietà di zuccheri, che vengono contemporaneamente fosforilati usando il fosfoenolpiruvato (PEP) come donatore di fosfato. Il sistema fosfotransferasico fosfoenolpiruvato: Il Sistema è formato dalle seguenti componenti: il fosfoenolpiruvato,PEP; l'enzima I, EI; la proteina termostabile a basso peso molecolare. HPr; e l'enzima II. Il fosfato ad alta energia viene trasferito da HPr a EIIA, una componente solubile dell'enzima EII. EIIA è unito a EIIB nel sistema per il trasporto del mannitolo, mentre è separato da EIIB nel sistema del glucosio. Durante ii trasporto attraverso la membrana, il fosfato viene trasferito da EIIA a EIIB quindi allo zucchero, in entrambi i sistemi.

Trasportatori ABC

Trasportatori ABC: coinvolge proteine di legame periplasmatiche e l'energia è fornita dall'ATP I sistemi di trasporlo detti trasportatori ABC sono presenti nei batteri, negli. archeobatteri e negli eucarioti. Queste proteine di trasporto in genere consistono di due domini idrofobici inseriti nella membrana, che sulla faccia citoplasmatica si associano a due domini per il legame col nucleotide.

Struttura Generale degli ABC

Struttura generale delle ABC I due TMD sono costituiti da 6 a-eliche ciascuno, che, interagendo tra loro, formano un poro delimitato da 12 a-eliche, che funge da canale per il passaggio dei substrati. I due domini citosolici leganti ATP sono, invece, altamente conservati e forniscono l'energia necessaria al trasporto dei substrati attraverso la membrana, mediante idrolisi dell'ATP in ADP e fosfato inorganico. L'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP permette alle proteine di adottare una conformazione in grado di legare il substrato al lato citoplasmatico e di traslocarlo all'esterno della membrana a doppio strato. ● E. coli assorbe una grande varietà di zuccheri e di amminoacidi tramite questo meccanismo, inoltre, è in grado di pompare fuori dalla cellula gli antibiotici, grazie a una proteina di trasporto ABC dotata di resistenza multipla agli antibiotici.

Funzionamento del Trasportatore ABC

Funzionamento del trasportatore ABC (1) La proteina che lega il soluto si unisce al substrato da trasportare dentro la cellula, quindi si avvicina al complesso del trasportatore ABC. (2) La proteina che lega il soluto prende contatto col trasportatore e rilascia la molecola di substrato, il cui passaggio attraverso la membrana è sostenuto energeticamente dall'idrolisi de 1l'AIP.

Trasportatori ABC nell'Uomo

Trasportatori ABC nell'uomo I trasportatori ABC degli eucarioti hanno talvolta un grande rilievo sul piano clinico. Tramite questi sistemi di trasporto, alcune cellule tumorali pompano fuori i farmaci chemioterapici. La fibrosi cistica è il risultato di una mutazione che inattiva il trasportatore ABC, il quale funziona da canale per gli ioni cloro nei polmoni.

Assunzione del Ferro

L'assunzione del ferro L'assorbimento del ferro è complicato dall'estrema insolubilità dello ione ferrico (Fe3+) e dei suoi derivati, per cui soltanto piccole quantità di ferro libero sono disponibili per ii trasporto. Molti batteri e funghi hanno superato questa difficoltà secernendo siderofori. I siderofori sono molecole organiche basso peso molecolare, in grado di formare complessi col ferro ferrico (Fe3+) e di renderlo disponibile alla cellula. I microrganismi secernono (molecole organiche) siderofori quando nel terreno di coltura vi è scarsità di ferro. Raggiunta la superficie cellulare il complesso fero-sideroforo si lega a uno specifico recettore proteico a questo punto o il ferro viene rilasciato ed entra direttamente nella cellula, oppure l'intero complesso ferro-sideroforo viene portato all'interno da un trasportatore ABC.