lezione 4: virus e batteri - Università degli Studi di Cassino

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI
CASSINO
FACOLTA’ DI SCIENZE MOTORIE
CORSO INTEGRATO DI BIOCHIMICA,
BIOLOGIA & GENETICA MEDIA
MODULO DI BIOLOGIA & GENETICA
MEDICA
I MICRORGANISMI: BATTERI & VIRUS
AA 2011-2012
Dott.ssa Veronica Papa
 La Microbiologia è la branca della Biologia che studia i
microrganismi (= micros (piccolo), bios (vita) e logos
(parola))
 Microrganismi
sono definiti come organismi
unicellulari invisibili ad occhio nudo, a volte organizzati
in aggregati pluricellulari senza differenziazione in
tessuti od organi
 Sono coinvolti in importanti cicli della materia,
trasformazioni geochimiche e processi biologici.
 Comparsi sul nostro pianeta oltre 3.5 miliardi di anni fa;
costituiscono Oltre la metàdella biomassa contro il 35%
piante e 15% animali
 Concorrono all’equilibrio biologico sulla Terra.
 Sono responsabili delle malattie infettive nell’uomo,
negli animali e nelle piante.
 Vengono chiamati in causa nell’insorgenza di alcuni tipi
di tumori (HPV).
 Causa di degradazione degli alimenti.
 Utilizzati come modelli sperimentali per lo studio della
genetica molecolare e della fisiologia cellulare e per la
produzione di sostanze utili all’uomo (sieri e vaccini,
antibiotici, vitamine ed altre sostanze utili).
I VIRUS
 Entità biologiche subcellulari
 Parassiti endocellulari obbligati
 Possiedono un solo tipo di acido nucleico (DNA o RNA)
 Hanno dimensioni piccolissime (sono filtrabili)
 Possiedono un involucro proteico (capside) e, a volte, un
involucro lipoproteico(pericapsideo peplos)
 Presentano
in
superficie
strutture
proteiche
(antirecettori) che si attaccano a specifici recettori della
cellula bersaglio
 I microrganismi possono essere classificati per:
- Morfologia (dimensione, forma): Cocchi, Bacilli, Vibrioni
e Spirilli.
- Caratteristiche di colorazione), caratteristiche
metaboliche e antigeniche
- Sulla base dei rapporti che questi contraggono con
l'ospite:
a) Saprofiti o Commensali: microrganismi che vivono e si
moltiplicano a contatto con l'ospite senza provocare
danni; anzi, a volte si può instaurare un rapporto di
reciproco beneficio.
b) Patogeni: microrganismi che tendono a provocare
malattia.
c) Opportunisti: microrganismi normalmente innocui, ma
in grado di provocare malattie, anche gravi, in seguito
ad un indebolimento delle difese dell'organismo.
 Un individuo sano vive in armonia con la flora microbica che
lo aiuta a proteggersi dall'invasione degli agenti patogeni.
Le specie che costituiscono la flora normale sono influenzate da
molti fattori (p.es., dieta, igiene personale, condizioni sanitarie).
Es: i lattobacilli sono dei comuni organismi intestinali
commensali frequenti nei soggetti con un alto consumo di
latticini;
l'Haemophilus influenzae colonizza l'albero tracheobronchiale
nei pazienti che presentano malattia polmonare cronica
ostruttiva (Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD).
 I microrganismi patogeni possono a volte far parte della flora
normale specialmente nei pazienti le cui barriere difensive
siano alterate.
SFERICI:
Streptococcus pneumoniae
BACILLI
SPIRILIFORMI
VIBRIO CHOLERAE
STUTTURA DI UNA CELLULA PROCARIOTICA
Capsula: involucro di protezione e adesione alle superfici
Parete cellulare: rivestimento rigido di protezione e sostegno; consente
il mantenimento della forma
Membrana plasmatica: circonda la cellula e regola il traffico delle
molecole
Nucleoide: regione contenente il materiale ereditario (DNA)
Plasmidi: porzioni di DNA che posseggono le proprietà di un
cromosoma
Ribosomi: organuli preposti alla sintesi proteica
Pili: strutture per l’ancoraggio
Flagelli: strutture per il movimento
Respirazione: associata alla membrana
LA PARETE CELLULARE
 Complessa struttura rigida presente solo nei
procarioti che conferisce la forma al batterio e ne
garantisce la protezione dall'ambiente esterno.
 La parete dei Gram-positivi è costituita
principalmente da una spesso e stratificato strato
rigido di peptidoglicano.
 I batteri Gram-negativi hanno uno strato piu‘ sottile
di peptidoglicano e una membrana esterna.
LA CAPSULA
 Involucro denso esterno alla parete, di natura
polisaccaridica o proteica, presente sia dei batteri Gram+
che Gram Se poco aderente e poco uniforme per densità e spessore
èdefinto glicocalice.
 Previene l’essicamento
 Favorisce l’adesività ad altri batteri e alle superfici dei
tessuti dell’ospite
 Favorisce la colonizzazione in particolari distretti biologici.
 Ha proprietà antifagocitaria impedendo il riconoscimento
tra cellula fagocitaria ed il batterio.
 Mutanti di batteri normalmente capsulati che hanno perso
la capacità di formare la capsula perdono la virulenza
 Funge da barriera alla diffusione degli antibiotici.
FLAGELLI
 I flagelli sono organi di movimento, cioè conferiscono
motilità ai batteri.
 Consentono un movimento orientato (chemiotassi
positiva o negativa in risposta a stimoli fisici quali luce e
calore e chimici quali nutrienti o sostanze dannose).
 Sono costituiti da flagellina, una proteina contrattile e
sono formati da un unico filamento sprovvisto di
membrana. Possono essere persi e rigenerati e la loro
sintesi è regolata da almeno 20 geni.
PILI
(FIMBRIE)
strutture proteiche
 Sono
rigide (0,2-20 μm) presenti
soprattutto nei Gram-sulla
superficie esterna della
cellula.
 I pili comuni, spesso
codificati da plasmidi, sono
presenti in gran numero
(anche fino a 1000 per
cellula)
 Mediano
l’adesione
e
l’aggregazione
batterica,
quindi
favoriscono
la
colonizzazione
e
la
formazione di pellicole
superficiali
DIVISIONE DELLA CELLULA
BATTERICA
 La divisione di una cellula batterica in due cellule
figlie avviene mediante scissione binaria, un processo
che si realizza attraverso:
- l’estensione della parete
- la replicazione del materiale genetico, costituito nel
caso dei batteri da un’unica molecola circolare di
DNA (cromosoma batterico)ancorata alla membrana
citoplasmatica
- la formazione del setto.
 La riproduzione inizia con la replicazionedel DNA;
 le 2 nuove molecole vengono separate dal setto (2
membrane separate da 2 strati di peptidoglicano, neosintetizzati), che inizia a formarsi dall’esterno verso il
centro, separando le 2 cellule figlie.
 L’ancoraggio del DNA alla membrana trascina il
cromosoma duplicato nella nuova cellula.
 Il tempo di divisione (tempo di generazione) varia a
seconda dei batteri, da 20 minuti (Escherichiacoli) a
diverse ore (Micobatteri).
SPORE
 Prerogativa di alcuni gram-positivi
 Strutture protettiva in cui il batterio sopravvive in uno
stato di quiescenza, una forma di resistenza
metabolicamente inattiva.
 Non è una modalità di riproduzione batterica
 Viene prodotta in risposta a condizioni ambientali
avverse; se le condizioni ambientali migliorano danno
luogo alle forme vegetative (germinazione).
 Resiste all’essiccamento, alle radiazioni gamma e
ultraviolette
 Sopravvive al calore (anche > 100°C)
 Il materiale genetico presente nella
cellula batterica è costituito dall’insieme
di tutti i geni presenti sia nell’unico
cromosoma che negli elementi
extracromosomici trasmissibili
 L’unico cromosoma batterico è costituito
da una molecola di DNA circolare a
doppio filamento e presente in una unica
copia (aploidia)
 i plasmidi, elementi genetici
extracromosomici presenti in unica o
molte copie autonomi rispetto al
cromosoma batterico e generalmente
trasmissibili da una cellula all’altra.
 Contengono informazioni importanti ma
non indispensabili alla sopravvivenza:
produzione di tossine, pili, adesine,
enzimi che conferiscono resistenza ai
farmaci antibatterici.
RICOMBINAZIONE GENETICA
 La ricombinazione è un processo unidirezionale mediante
il quale una porzione di materiale genetico (DNA) è
trasferita da un donatore ad una cellula ricevente che la
integra nel suo cromosoma, attraverso processi di scambio
di sequenze omologhe, con acquisizione di nuove
caratteristiche fenotipiche.
 Il trasferimento di materiale genetico tra 2 cellule
batteriche e consiste nello scambio di porzioni omologhe
fra 2 molecole di DNA di 2 differenti batteri.
 Può avvenire tramite:
- Trasformazione
- Trasduzione
- Coniugazione
 La trasformazione: acquisizione di nuovi marcatori
genetici attraverso l’incorporazione di DNA esogeno
 La trasduzione: Alcuni virus batterici (batteriofagi)
possono trasferire geni batterici da una cellula all’altra.
 La coniugazione: trasferimento diretto di materiale
genetico cromosomico attraverso un contatto fisico tra
due cellule, possibile solo se il batterio possiede
particolari plasmidi, detti appuntoplasmidi coniugativi
che generano la sintesi del pilo F.
TRASFORMAZIONE
 Condizioni necessarie sono:
- La presenza di DNA libero.
- Stato di competenza della
cellula ricevente.
 La cellula è normalmente
impermeabile al DNA, a
meno che non si trovi in uno
stato
di
competenza
(formazione di pori transitori
nella
membrana
che
permettono il passaggio di
molecole di DNA).
 A questo punto i frammenti di
DNA entrano, si appaiano e
possono
ricombinarsi
(a
sinistra)
CRESCITA BATTERICA
 Fase di latenza: le cellule
aumentano di volume ma non di
numero: i batteri si adattano al
nuovo ambiente.
 Fase esponenziale o logaritmica:
i batteri si moltiplicano con un
tempo di duplicazione che
dipende dal ceppo e
dall’ambiente.
 Fase stazionaria: i batteri
smettono di crescere per la
mancanza di metaboliti e
l’accumulo di sostanze tossiche.
Fase di morte cellulare: la fase
di declino o morte cellulare si
manifesta come riduzione
lineare del numero di cellule
vitale nel tempo.
CARATTERISTICHE DEI VIRUS
 Entità biologiche subcellulari (virione: particella virale
completa ed infettante)
 Parassiti endocellulari obbligati (di animali, piante,
funghi, batteri) (non possono produrre energia o
sintetizzare acidi nucleici e proteine al di fuori di una
cellula ospite)
 Hanno dimensioni piccolissime (sono filtrabili)
 Possiedono un solo tipo di acido nucleico (DNA o RNA)
 Possiedono un involucro proteico (capside) e, a volte,
un involucro lipoproteico(pericapsideo peplos)
 Presentano
in
superficie
strutture
proteiche
(antirecettori) che si legano a specifici recettori della
cellula bersaglio
 Alcuni possiedono propri enzimi complessi ma, senza
assistenza, non sono capaci di riprodurre le
informazioni contenute nei loro genomi
DEFINIZIONE E PROPRIETÀ DEI VIRUS
 Non sono esseri viventi
 Per esistere in natura devono essere infettanti
 Devono utilizzare i meccanismi della cellula ospite per
produrre i propri componenti (mRNA virali, proteine e
copie identiche del genoma)
 Devono codificare proprie proteine specifiche per ogni
processo da loro richiesto e non effettuabile dalla
cellula
 La produzione di nuovi virioni
assemblaggio delle componenti virali
avviene
per
CAPSIDE
 Rivestimento proteico (fino al 90% del virione)
 Fornisce protezione all'acido nucleico
 È importante per l’infettività (strutture anti-recettoriali)
 Dal momento che il genoma virale ha un numero limitato di
geni, il capside è costituito dalla associazione di subunità
proteiche in protomeri ripetuti (capsomeri) collegati da
legami tra gruppi chimici presenti sulla superficie e auto
assemblanti
LA FUNZIONE DEI RIVESTIMENTI ESTERNI
1) Protezione del fragile genoma da danni fisici, chimici,
enzimatici.
- I capsidi sono formati da un certo numero di unità proteiche
uguali.
- Il danno ad una rende quell’una non funzionale, ma
difficilmente danneggia l’intera particella.
- Questo fa del capside un’efficace barriera.
2)Conferimento della capacitàdi riconoscimento con il
recettore cellulare.
3)Penetrazione del genoma virale nella cellula in una
conformazione con la quale può interagire con le strutture
cellulari ed iniziare il processo infettivo
- in alcuni casi questo è un processo facile che consiste
semplicemente nel far entrare il genoma nel citoplasma
-in altri casi invece, questo momento è più complesso. Per es. i
Retrovirus
MORFOLOGIA E STRUTTURA
 Il modo in cui i diversi componenti sono organizzati
nella struttura del virione è stato chiarito mediante
microscopia elettronica
 Le catene polipeptidiche che costituiscono il capside
sono disposte in modo simmetrico e la morfologia
risultante del virione è variabile:
- rotondeggiante,
- allungata (a bastoncino),
- complessa,
- pleiomorfa.
BATTERIOFAGI
IL GENOMA DEI VIRUS
 70% dei virus animali ha un genoma ad RNA quasi
sempre a singolo filamento
- 4 –18 proteine
 30% dei virus animali ha un genoma a DNA.
 L’acido nucleico di quasi tutti i virus a DNA è a doppio
filamento ma in alcuni è parzialmente a singolo filamento
quando non è in fase di replicazione
- 3 –100 proteine
FASI DELLA MOLTIPLICAZIONE VIRALE
 Nella fase di parassitismo intracellulare il virus perde
le caratteristiche morfologiche della fase extracellulare
 Acido nucleico e proteine strutturali della progenie
virale sono sintetizzati separatamente in un gran
numero di copie, poi assemblati in virioni maturi al
termine del ciclo di moltiplicazione
 Il ciclo moltiplicativo si divide in 5 fasi
1. Adsorbimento
2. Penetrazione
3. Esposizione dell'acido nucleico
4. Sintesi dei componenti virali
5. Assemblaggio e fuoriuscita dei virioni dalla cellula
infetta
PENETRAZIONE DI VIRUS PRIVI DI RIVESTIMENTO
 Micropinocitosi
(adsorbimentoendocitico,
viropessi)
meccanismo più frequente: lo stesso che le cellule usano per
internalizzare sostanze corpuscolate al di sotto di 1 μm
(introflessioni della membrana rivestite di clatrina con
successiva fusione con lisosomi) (1); in qualche caso entra solo
l’acido nucleico (2)
PENETRAZIONE DI VIRUS CON RIVESTIMENTO
1. Fusione
-lipidi e proteine del peplos
si fondono con quelli della
membrana della cellula, il
nucleo capside viene a
trovarsi direttamente nel
citoplasma (in alcuni virus
una specifica glicoproteina
F del peplos favorisce la
fusione)
2. Endocitosi
- tutto il virus viene
inglobato in una vescicola
endosomica