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Batteri - N-acetilglucosamina
Messaggio Aida il Mar 1 Feb 2011 - 8:43
Autore: Bruno Pacifici
La parete cellulare: struttura e funzioni
Lo strato rigido: il peptidoglicano
Diversità del peptidoglicano
La membrana esterna
Gli acidi teicoici
Relazioni tra struttura della parete e colorazioni di Gram
Gram positivi
Gram negativi
Osmosi, lisi e formazione di protoplasti
La sintesi della parete cellulare
La parete cellulare degli Archea

La concentrazione dei soluti disciolti all’interno della cellula batterica sviluppa una pressione notevole, che in Escherichia coli è valutata in circa 2 atmosfere. Per sopportare questa pressione i batteri posseggono una parete cellulare che ha la funzione di conferire forma e rigidità alla cellula.
I batteri possono essere suddivisi in due gruppi principali, detti Gram-positivi e Gram-negativi. La distinzione si basa su una particolare tecnica di colorazione; alla base della diversità di risposta alla colorazione di Gram vi sono differenze di struttura della parete cellulare.
La parete cellulare delle cellule Gram-negative è una struttura pluristratificata e piuttosto complessa, mentre la parete cellulare dei Gram-positivi è costituita essenzialmente da un unico tipo di molecola ed è in genere più spessa. Sebbene vari Archea, e perfino alcuni Eucarioti, possano assumere colorazione Gram-positiva o Gram-negativa, la parete cellulare dei Batteri è chimicamente unica e di immensa rilevanza pratica.
Lo strato rigido: il peptidoglicano
Lo strato rigido dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi ha una composizione chimica molto simile. Questo strato, detto peptidoglicano (o mureina) è una sottile lamina costituita da due derivati polisaccaridici, l’N-acetilglucosamina e l’acido N-acetilmuramico, e da un piccolo gruppo di amminoacidi rappresentato da: D-alanina, acido D-glutammico , o in alternativa acido diaminopimelico, L-alanina e lisina
Questi costituenti sono assemblati in modo da formare una unità di ripetizione, il glican-tetrapeptide.
Le catene di glicano costituite da zuccheri sono tenute insieme da legami crociati peptidici tra aminoacidi. La robustezza propria della struttura peptidoglicanica si ottiene soltanto quando queste catene vengono unite tra loro da amminoacidi mediante questi legami crociati.
·Nei batteri Gram-negativi i legami sono rappresentati generalmente da un legame peptidico diretto tra il gruppo amminico dell’acido diaminopimelico e il gruppo carbossilico della D-alanina terminale.
·Nei batteri Gram-positivi i legami crociati sono costituiti da un ponte peptidico ed il tipo e il numero di legami crociati varia in modo caratteristico da un organismo all’altro. Ad esempio nello Staphylococcus aureus, l’organismo Gram-positivo maggiormente studiato, ogni ponte peptidico è costituito da cinque molecole dell’aminoacido glicina, collegate tra di loro da legami peptidici.
Si ritiene che la forma della cellula sia determinata dalla lunghezza delle catene di peptidoglicano e dal tipo e dalla quantità di legami crociati tra le diverse catene.
Diversità del peptidoglicano
È presente solo nei batteri. L’acido N-acetilmuramico e l’ acido diaminopimelico sono del tutto assenti nella parete cellulare degli Archea e degli Eucarioti. Non tutti i batteri però hanno il DAP. Questo è presente in tutti i batteri Gram-negativi ed in alcune specie Gram-positive, ma nella gran parte dei cocchi Gram-positivi al posto del DAP vi è la lisina, e , in qualche altro Gram-positivo vi possono essere altri amminoacidi. Altra caratteristica particolare della parete cellulare batterica: 2 aminoacidi in configurazione D, la D-alanina e l’acido D-glutammico.
Considerazioni generali sulla struttura del peptidoglicano:
La porzione glicanica è costante e contiene solo N-acetilglucosamina e acido N-acetilmuramico, collegati tra loro sempre da un legame b-1,4.
Il tetrapeptide dell’unità di ripetizione (L-alanina, acido D-glutammico, acido diaminopimelico, D-alanina) presenta essenzialmente una sola sostituzione amminoacidica, alternando la presenza della dell’acido diaminopimelico con la lisina.
Si conoscono almeno 100 tipi diversi di peptidoglicano e la regione maggiormente variabile è il ponte peptidico. Che aminoacidi ci sono nel ponte peptidico? Sia quelli presenti nel tetrapeptide, sia la glicina, treonina, serina e acido aspartico. Alcuni non saranno mai presenti nel ponte: quelli a catena ramificata, quelli aromatici, quelli contenenti zolfo, l’istidina, l’arginina e la prolina.
Il peptidoglicano rappresenta fino al 90% del materiale di parete nei Gram-positivi. In essi l’acido teicoico è presente in piccole quantità.
rappresenta circa il 10% della parete nei Gram-negativi
La membrana esterna
Nei Gram-negativi è spesso indicata come strato LPS (figura), cioè di lipopolisaccaride. L’LPS si associa a varie proteine a formare la metà esterna della membrana. Sul lato interno della membrana c’è un complesso lipoproteico che svolge funzioni di ancoraggio tra membrana esterna e peptidoglicano.
Un importante proprietà biologica della membrana esterna di molti batteri Gram-negativi è la sua tossicità per gli animali
La sua permeabilità: la presenza delle porine, proteine integrali transmembrana, consente l’entrata e l’uscita di sostanze idrofiliche a basso peso molecolare. Esse sono assemblate in modo da creare un poro di circa 1 nm di diametro. La membrana esterna non è però permeabile ai protoni. Impedisce infatti che i protoni che sono stati sospinti attraverso la membrana si allontanino dalla cellula. Lo stesso vale per alcuni enzimi che restano intrappolati nel periplasma dandogli un aspetto gelatinoso.
Che proteine troviamo nel periplasma? Enzimi idrolitici, proteine di legame che innescano i processi di trasporto di substrati, chemiocettori.
Gli acidi teicoici
I Batteri Gram-positivi non hanno lo strato polisaccaridico esterno, ma sono generalmente dotati di polisaccaridi acidi associati alla parete cellulare, detti acidi teicoici (dal greco teichos, “parete”). A causa della loro carica negativa, gli acidi teicoici sono in genere responsabili della carica complessivamente negativa della superficie cellulare e possono contribuire al passaggio di ioni attraverso la parete cellulare.
Relazioni tra struttura della parete e colorazioni di Gram
Nella colorazione di Gram un complesso di cristal-violetto si forma all’interno della cellula: questo complesso viene estratto dall’alcol nei batteri Gram-negativi, ma non nei Gram-positivi che hanno una parete cellulare molto spessa.
Nei Gram-positivi infatti in presenza di alcol i pori della membrana si chiudono e impediscono al complesso insolubile di cristal-violetto iodinato di uscire.
Nei Gram-negativi invece il solvente penetra rapidamente.
È importante sottolineare però che non è la costituzione chimica , ma la struttura fisica della parete che determina la positività alla colorazione di Gram.
Osmosi, lisi e formazione di protoplasti
I legami glicosidici tra N-acetilglucosamina e acido N-acetilmuramico possono essere scissi rendendo più fragile la parete. Questo è quello che fa l’enzima lisozima. È presente nelle lacrime, nella saliva, nei liquidi biologici e nella chiara d’uovo.
Se bilanciamo la concentrazione di soluti tra l’esterno e l’interno della cellula e lasciamo che il lisozima agisca si formerà un protoplasto., altrimenti la lisi è immediata.
I micoplasmi sono procarioti che vivono senza parete cellulare sia perché hanno una membrana particolarmente robusta, sia perché il loro habitat (il corpo animale) è osmoticamente protetto.
Gram-positivi:
Strato spesso di peptidoglicano (mureina) e 2 classi di acidi teicoici. L’acido lipoteico si trova sulla superficie, incluso nello strato ed è unito alla membrana citoplasmatica. L’acido teicoico si trova sulla superficie ed è attaccato solo allo strato di peptidoglicano. L’acido teicoico è responsabile delle proprietà antigeniche dell’organismo.
Gram-negativi:
Strato sottile di peptidoglicano con una membrana esterna ad esso attaccato tramite lipoproteine. La membrana esterna è fatta di proteine, fosfolipidi e lipopolisaccaridi. Nel lipopolisaccaride, la porzione lipidica è inclusa nei fosfolipidi e il polisaccaride antigene O sta sulla superficie. Il lipide è chiamato lipide A ed è tossico, ma l’intero polisaccaride è un endotossina.
La sintesi della parete cellulare
Nel processo di divisione cellulare le autolisine, simili al lisozima e sintetizzati all’interno della cellula, provocano piccole fessure nella struttura macromolecolare della parete. Il materiale di parete di nuova sintesi viene aggiunto passando attraverso queste aperture. Mentre il processo procede durante la divisione cellulare, il volume della cellula aumenta finchè si forma una parete divisoria trasversale (setto) e la cellula si divide in due cellule figlie.
Alla sintesi del peptidoglicano partecipano due molecole con funzione di trasporto, l’uridindifosfato e un trasportatore lipidico, il bactoprenolo. Il bactoprenolo è coinvolto nel trasporto degli elementi costitutivi del peptidoglicano attraverso la membrana, in corrispondenza dei punti d’intersezione del peptidoglicano nella parete in crescita. La sua funzione del bactoprenolo è quella di rendere gli intermedi polisaccaridici sufficientemente idrofobici in modo che possano attraversare la membrana cellulare. La tappa finale nella sintesi della parete è costituita dalla formazione di legami peptidici tra catene adiacenti di peptidoglicano. La formazione di questi legami peptidici, transpeptidazione, è inibita dalle penicilline. La lisi indotta da penicilline può avvenire soltanto in cellule in attiva crescita perché nelle cellule in fase stazionaria le autolisine non agiscono.
La parete cellulare degli Archea
I diversi tipi di Archea pur potendo assumere colorazione Gram-positiva o Gram-negativa, non contengono nella parete cellulare né acido muramico né D-amminoacidi , le molecole “tipizzanti” del peptidoglicano. Per i microrganismi studiati più approfonditamente (gli Archea metanogeni e alofili estremi) sono stati descritti vari tipi di pareti cellulari.
Le specie di Methanobacterium, Methanobrevibacter e Methanotermus contengono una sostanza simile al peptidoglicano, detta pseudopeptidoglicano.
Lo pseudopeptidoglicano è composto dalla ripetizione di subunità costituite da due aminozuccheri, l’N-acetilglucosamina e l’acido N-acetil-talosaminuronico. Mentre quest’ultima sostanza è presente unicamente negli Archea, la prima è uno dei due costituenti fondamentali del peptidoglicano. I residui di acido acetil-talosaminuronico dello pseudopeptidoglicano sono tenuti insieme da aminoacidi (come nel peptidoglicano), che sono però, tutti in forma L (mentre nel peptidoglicano si trovano D‑aminoacidi). Il legame glicosidico tra gli aminozuccheri dello pseudopeptidoglicano è un legame (1‑‑‑> 3) mentre nel peptidoglicano tra i residui di acetilglucosamina e di acido muramico si forma un legame (1 -‑> 4). Poiché il lisozima scinde il legame glicosidico (1 ‑> 4) (vedi osmolisi), i metanogeni sono resistenti all'azione di questo enzima.
Le specie di Methanosarcina contengono una spessa parete cellulare che assume colorazione Gram‑positiva ed è costituita esclusivamente da polisaccaridi: gli zuccheri principali sono la galattosamina, l'acido glicuronico e il glucosio. E` inoltre presente una notevole quantità di acetato, mentre sono assenti sia i fosfati che i solfati. Sebbene la parete cellulare di Methanosarcina sia complessa, i principali elementi strutturali indicano che vi è una relazione con la condroitina, uno dei principali componenti dei tessuto connettivo delle cellule animali. A differenza della condroitina, la parete polisaccaridica di Methanosarcina non contiene solfati.
Es: La parete cellulare di. Halococcus, un Archea alofilo estremo, è costituita da un polisaccaride solfato che assomiglia a quello di Methanosarcina. La composizione chimica della parete cellulare di Halococcus è complessa. Il glucosio, il mannosio ed il galattosio sono presenti sia in forma di zuccheri neutri che in forma aminica. Gli acidi uronici e gli acetati sono abbondanti e molti zuccheri sono presenti come solfati.
Alcuni metanogeni, tra i quali alofili estremi come Halobacterium, e gli Archea ipertermofili hanno la parete cellulare costituita da glicoprotetne. I carboidrati che la compongono sono esosi (glucosio, glucosamina, galattosio e mannosio) e pentosi (ribosio e arabinosio). Nella parete cellulare di Halobacterium c'è una grande quantità di aminoacidi acidi (carichi negativamente), in particolare aspartato, che servono a bilanciare l'abbondanza di cariche positive dovute all'alta concentrazione di sodio nell'organismo. Le cellule di molte specie di Halobacterium richiedono una concentrazione di NaCl pari a 20‑25% per mantenere intatta la parete cellulare. Quando la concentrazione salina si riduce al 15%, le cellule di Halobacterium, normalmente a forma di bastoncello, cominciano ad assumere una forma a cocco, probabilmente perché i componenti della parete cellulare sono instabili a queste concentrazioni saline. A concentrazione di NaCl ancora inferiori, le cellule lisano.
Alcuni metanogeni hanno la parete cellulare priva di carboidrati e costituita soltanto da proteine. Per esempio, le pareti cellulari di Methanococcus e di Methanomicrobium sono costituite da varie proteine distinte, mentre Methanospirillum possiede una parete cellulare costituita da una singola subunità proteica che forma una guaina intorno al microrganismo. La parete cellulare di Sulfolobus, per esempio, è formata da una rete regolare di subunità glicoproteiche. Questo complesso è estremamente resistente, dal momento che pareti cellulari purificate di Sulfolobus rimangono intatte perfino in soluzioni bollenti contenenti detergenti. Anche la parete cellulare di Pyrodictium, il più termofilo di tutti i procarioti conosciuti (ha una temperatura di crescita di 113ºC), è costituita da glicoproteine. La parete cellulare di Desulfurococcus, un microrganismo ipertermofilo in grado di ridurre lo zolfo, è costituita soltanto da proteine. In nessun ipertermofflo sono state isolate pareti cellulari costituite da soli polisaccaridi.