Cellula Procariota, Batteri e Virus

La cellula procariotica rispetto alla cellula eucariotica è più piccola di circa 1/10 di diametro (che è di circa 1 micron) ed 1/1000, il DNA non è racchiuso nel nucleo ma è libero nella cellula come singola molecola circolare a doppia elica, non ci sono organelli delimitati da membrana ed è presente una spessa parete cellulare di protezione.
Queste cellule possiedono spesso flagelli per la locomozione, inoltre possiedono ribosomi più piccoli che si vedono nel citoplasma (hanno una dimensione di 70 S). Le cellule procariotiche non hanno organuli ma possiedono ribosomi, granuli di riserva come glicogeno e lipidi ed enzimi utili per il metabolismo batterico contenuti nel citoplasma e nelle eventuali invaginazioni della membrana plasmatica.

La parete batterica non è presente nelle cellule animali, ma caratterizza la maggior parte dei batteri e li protegge da un ambiente ipotonico, ma non ipertonico. È costituita da peptidoglicano, polimero complesso formato da due amminozuccheri legati da corti peptidi. Nel 1888 Gram classificò con una colorazione di Violetto di Genziana i batteri in GRAM + se mantenevano il colore anche dopo il trattamento con alcol, mentre i GRAM – perdevano il colore dopo essere stati trattati con alcol, a causa di una diversa composizione della parete cellulare. Esiste anche una capsula che circonda la parete cellulare, che funge da protezione contro la fagocitosi dei leucociti. Altre importanti caratteristiche dei batteri sono la presenza dei pili, organelli d’attacco che aiutano i batteri ad aderire tra loro o ad aderire a superfici, oppure i pili sessuali intervengono nella coniugazione batterica, mentre i flagelli servono per la locomozione ma non sono strutturati come quelli eucariotici.

Il DNA circolare della cellula procariotica è ad un basso livello di organizzazione, non presenta molte proteine legate alla molecola di DNA, i plasmidi invece sono piccole molecole di DNA circolare che possono contenere un numero limitato di geni e possono replicarsi indipendentemente dal DNA genomico, ad esempio per enzimi per la resistenza agli antibiotici, tipo l’enzima β-lattamasi che taglia l’anello β-lattamico della penicillina, che impedisce la formazione di peptidoglicano nei batteri.

 

I Batteri

Le cellule eucariotiche più importanti che conosciamo sono i batteri, che si dividono in cocchi (sono sferici, possono essere presenti singolarmente, in coppia (diplococchi), in catenelle (streptococchi) o in aggregati simili a grappoli d’uva (staffilococchi)), i bacilli hanno invece una forma bastoncellare (unicellulare) o a catenelle, mentre tra gli spirilli annoveriamo le forme elicoidali rigide e tra le spirochete annoveriamo le forme elicoidali flessibili.

Per quanto riguarda la riproduzione batterica esistono diversi metodi, ad esempio la scissione binaria è la più utilizzata, è un metodo di riproduzione asessuata che genera due cellule simili alla progenitrice, dopo la replicazione del DNA circolare si forma una parete trasversale per accrescimento della membrana plasmatica e della parete cellulare, dalla gemmazione invece origina una piccola gemma che rappresenta la cellula figlia, mentre dalla frammentazione originano più di due cellule figlie per accrescimento interno della parete. Esistono inoltre tre processi di scambio di materiale genetico tra i batteri: la trasformazione prevede che i frammenti di DNA rilasciati da una cellula possono essere assunti da un’altra cellula, se un batterio muore e viene lisato il suo DNA, quest’ultimo può penetrare all’interno di un altra cellula vitale ed essere espresso da questa nuova cellula, che acquista nuove caratteristiche.

L’esperimento di Griffith ha dimostrato tutto ciò con i topolini, che si sono ammalati di un virus che era inattivo ma era stato messo a contatto con virus attivo denaturato da calore. La trasduzione è intesa come il trasporto di geni da un batterio ad un altro, mediato da virus, da un batteriofago, avente una testa poliedrica contenente acido nucleico. Da qui entra il DNA o RNA del fago nel batterio e viene integrato nel DNA batterico, si parla ora del DNA virale come di profago. Questo profago viene poi trascritto e si fomano all’interno nuovi fagi virali, che possono avere all’interno della loro testa anche molecole di DNA del batterio, che se il fago infetterà una nuova cellula batterica verrà integrato nel DNA di questa nuova cellula batterica. Questo meccanismo è presente anche a livello delle cellule eucariotiche, dove si può verificare l’attivazione di un processo oncogeno. La coniugazione avviene tra due cellule con polarità di accoppiamento diverse, non perchè abbiano un sesso diverso, ma in base se hanno o non hanno il plasmide, si uniscono ed il materiale genetico (il plasmide) si trasferisce da una cellula all’altra. E’ necessario il contatto tra le 2 cellule, che si stabilisce prima tramite i pili e poi tramite la creazione di un ponte citoplasmatico.

Quando l’ambiente esterno diventa sfavorevole i batteri diventano endospore, batteri di natura dormiente aventi uno scopo protettivo contro un ambiente esterno sfavorevole, senza avere uno scopo riproduttivo. La presenza di batteri sporigeni ha creato problemi per le complicanze post-operatorie dei primi interventi chirurgici, non c’erano infatti disinfezioni importanti per gli strumenti. Queste spore sono in grado di vivere in condizioni ambientali sfavorevoli, mentre quando tornano le condizioni favorevoli l’endospora origina il batterio vitale. Il Bacterium Anthracis dà la malattia del carbonchio, resa famosa qualche tempo fa perchè in alcuni laboratori era resa resistente agli antibiotici, trasformata in spore che davano una polverina bianca ed inviate per posta a personalità importanti, dove la semplice inspirazione dava una forma di malattia molto grave.

Alcuni batteri sono eterotrofi, producono cioè l’energia per il loro sostentamento da molecole appartenenti ad altri organismi, tra cui ricordiamo i chemioeterotrofi che producono energia e carbonio dalla sostanza organica, esercitando un importante ruolo economico nella catena dell’energia. Tra questi eterotrofi distinguiamo gli aerobi, gli anaerobi facoltativi e gli anaerobi obbligati (muoiono se è presente ossigeno). Altri batteri sono autotrofi, producono infatti molecole carboniose a partire da anidride carbonica, in cui distinguiamo i fotosintetici (fotoautotrofi) e i chemioautotrofi, che producono carbonio a partire da CO2, ma come fonte di energia utilizzano molecole quali urea ed ammoniaca.

Batteri che possono dare dei particolari vantaggi sono tipo i saprofiti commensali che producono vitamine all’interno della nostra flora batterica, ed evitano la riproduzione di batteri che possono dare patologie intestinali. I batteri patogeni però possono anche essere solo opportunisti, cioè patogeni solo se il sistema immunitario è compromesso, come nelle immunodeficienze temporanee (date dai farmaci antitumorali), immunodeficienze acquisite (da AIDS) o da allergia, i malati di AIDS muoiono infatti per la maggior parte da infezione batterica. La microbiologia nacque alla fine del XIX secolo, Koch fu il primo a dimotrare che i batteri sono causa di malattie infettive, propose dunque che il patogeno deve essere presente in tutti gli individui con una data malattia, inoltre un campione del patogeno, isolato dai malati, deve poter crescere in coltura, se inoculato in un animale deve poter dare la stessa malattia e deve poter essere ri-isolato dallo stesso animale.

Le vie d’infezione possono essere diverse, tra cui cibo, polvere, goccioline (da raffreddore), lesioni cutanee, o una serie d’infezione trasmesse da animali. Le esotossine sono proteine tossiche prodotte da alcuni batteri che le secernono e le rilasciano quando muoiono. Sono termolabili, inattivabili al calore, tipo il batterio del botulino che è molto pericoloso, porta all’inattivazione di tutti i muscoli anche in piccola quantità, oppure serve a stendere le rughe in dermatologia, ma anche il batterio della difterite. Le endotossine sono componenti della parete cellulare dei batteri GRAM – che le rilasciano quando muoiono. Le LPS (lipopolisaccaridi) sono proteine di questo tipo e si legano ai macrofagi stimolando la risposta immunitaria, che provoca un innalzamento della temperatura del nostro corpo. È uno dei più potenti pirogeni, ovvero sostanze che aumentano la temperatura.

I batteri sono spesso usati anche per processi industriali, abbiamo i batteri lattici da cui produciamo latte e yogurt, possiamo produrre salame, cioccolato, ma soprattutto li utilizziamo per produrre antibiotici e proteine ricombinanti come vaccini e ormoni: il gene umano che produce queste sostanze viene inserito in un plasmide batterico, che trasformato all’interno dei batteri lo producono, sono delle vere e proprie macchine biosintetiche.

I batteri dall’origine dei tempi sono sempre stati divisi in due domini, il dominio Eubacteria ed il dominio Archea che corrisponde al regno degli Archeobacteri, batteri che non hanno il peptidoglicano della parete cellulare ed hanno una membrana plasmatica del tutto caratteristica. Vivono in ambienti estremi, simili alla Terra primordiale, e tra questi batteri ricordiamo i metanogeni (vivono nel tratto digerente di animali), gli alofili estremi ed i termofili estremi, tra cui ricordiamo il loro utilizzo nella PCR, la tecnica di moltiplicazione del DNA, in quanto la sua DNA-polimerasi riesce a rimanere attivata anche ad alte temperature, a cui dobbiamo sottoporre il DNA per poterlo denaturare, aprendo dunque la doppia elica. I batteri appartenenti al dominio degli Eubacteria sono quelli patogeni che abbiamo appena visto.

 

I virus

I virus sono stati scoperti all’inizio del XX secolo come agenti eziologici in grado di infettare le cellule animali o uccidere cellule batteriche, passavano infatti attraverso i filtri che trattenevano i batteri, non erano visibili al microscopio ottico e non crescevano in coltura in assenza di cellule vive. Il virus è costituito da un core interno contenente un acido nucleico, da un capside esterno che fa da rivestimento proteico, mentre alcuni virus hanno una membrana esterna composta da proteine, lipidi e carboidrati. Le dimensioni variano da un diametro che va dai 20 ai 500 nm.

I virus non possiedono le caratteristiche degli esseri viventi, non hanno una struttura cellulare, non possono svolgere attività metabolica autonoma (non effettuano la respirazione cellulare e non sintetizzano autonomamente proteine o altre molecole), non contengono DNA ed RNA, ma solo uno dei tipi di acido nucleico (RNA o DNA a singola o a doppia catena), si riproducono ma solo nelle cellule che infettano: forzano la cellula a replicare il loro acido nucleico prendendo il controllo dei meccanismi di trascrizione e traduzione della cellula ospite, la quale sintetizza le proteine virali. Siccome non possono essere classificati in nessuno dei tre domini è stato istituito un Comitato Internazionale per la Tassonomia dei virus, che raggruppa i virus sulla base di caratteristiche comuni, tipo l’acido nucleico che contengono nel core.

La forma dei virus è caratteristica, può essere elicoidale (virus del mosaico del tabacco), con capside cilindrico cavo, nel quale è presente RNA, oppure può essere poliedrica (ad esempio gli adenovirus), in cui il capside è sferico, mentre possono avere la testa poliedrica e la coda elicoidale, come i batteriofagi.

L’origine dei virus è ancora incerta, una teoria poco accreditata dice che siano comparsi prima delle cellule, prima dei tre domini, non si spiega però la loro sopravvivenza in assenza di cellule. La teoria più accreditata parla invece di frammenti di acidi nucleici usciti dalla cellula, come i trasposoni o i plasmidi, che rendono conto anche della specificità del virus, che infetta solo specie strettamente correlate agli organismi da cui hanno avuto origine. Per quanto riguarda i batteriofagi, essi sono specifici virus che attaccano i batteri. Sono costituiti da acido nucleico (quasi sempre DNA a doppia catena), da una testa poliedrica, da una coda e da fibre che si estendono dalla coda aderendo al batterio. Furono utilizzati un tempo per combattere le infezioni batteriche in era pre-antibiotica, oggi sono studiati come antibatterici per la sicurezza degli alimenti.

 

I virus si possono riprodurre attraverso un ciclo litico, in cui il virus infetta la cellula e la forza a replicare le particelle virali, si parla in questo caso di virus virulento. Inizialmente si ha l’aggancio del virus, con l’adesione ai recettori cellulari, poi si ha la penetrazione dell’acido nucleico o dell’intero virus, segue la replicazione e la sintesi in cui il virus degrada il DNA della cellula ospite e usa il suo macchinario trascrizionale e traduzionale per sintetizzare le proteine virali e replicare il suo acido nucleico, segue l’assemblaggio in cui i componenti virali si assemblano a formare nuove particelle. Nella fase di rilascio i virus vengono liberati all’esterno per lisi cellulare e per gemmazione dalla membrana plasmatica, i nuovi virus vanno ad infettare altre cellule.

Il ciclo lisogenico del virus invece prende in considerazione l’integrazione del virus all’interno del DNA genomico, prendendo il nome di profago. In questo caso si parla di virus temperato. A seguito dell’infezione con un virus temperato può verificarsi che i geni virali possono essere repressi per un tempo indefinito nella cellula infettata, che è chiamata cellula lisogenica, ma il virus può essere riattivato da stimoli ambientali (raggi UV, raggi X) ed attuare il ciclo litico, inoltre la cellula ospite può andare incontro a trasformazione tumorale quando si verifica un ciclo lisogenico all’interno di una cellula eucariotica. Un virus che attua questo tipo di comportamento è tipo la varicella che rimane nei gangli dorsali come virus temperato e torna come fuoco di San Antonio, ma trattato con l’acidovir previene possibili ricomparse della malattia.

I virus che infettano le cellule animali non sopravivono molto al di fuori delle cellule, ad esempio l’HIV vive mezz’ora fuori dall’organismo, quindi si trasmettono per lo più da cellula animale a cellula animale. Il tipo di proteina di aggancio determina quale cellule esso può infettare, i siti recettoriali variano infatti da specie a specie e spesso da tessuto a tessuto, ad esempio i virus umani infettano solo cellule umane, ad esempio il poliovirus è tissuto-specifico per il tessuto nervoso. Per questa malattia era stato utilizzato un vaccino con virus uccisi, poi migliorato da una successiva vaccinazione con poliovirus mutanti, non più neurotropi ma epiteliotropi, che andavano ad infettare le cellule epiteliali, questo virus però può anche dare origine per retromutazione ad un virus neurotropo, che hanno originato manifestazioni permanenti in alcuni individui, da qualche anno è quindi stato eliminato ed è stato reintrodotto il vaccino precedente.

L’infezione virale è data dall’ingresso del virus nella cellula per penetrazione o endocitosi, che può poi indurre la replicazione e la traduzione del suo DNA con meccanismi simili a quelli che svolge la cellula eucariotica con il suo DNA, mentre i virus a RNA possono dare origine ad una molecola di RNA indipendente o ad una molecola di DNA a partire da una molecola di RNA (si parla di retrovirus e del fenomeno della trascrittasi inversa). Una volta sintetizzate le proteine virali, si formano le nuove particelle virali nell’ultima fase, quella di traduzione. Tra i virus che infettano cellule animali ci sono il virus del vaiolo (è scomparso, non si fanno più vaccini), gli adenovirus (danno mal di gola), i papoavirus (inducono le verruche) e i parvovirus (causano gastroenteriti nell’uomo). Tra i virus a RNA annoveriamo il togavirus della rosolia, che induce malformazioni nel feto quando lo incontra nel primo trimestre di gravidanza, c’è dunque bisogno della vaccinazione, poi abbiamo il virus dell’influenza (il vaccino cambia ogni anno), il virus del morbillo e della parotite ed il virus della rabbia. Dal punto di vista tumorale i virus che inducono una trasformazione virale sono virus simili all’AIDS, il virus dell’epatite B, l’HBV, (l’infezione è correlata con epatocarcinoma successivo) mentre un altro virus oncogeno è l’HPV, che può causare un cancro alla cervice uterina. Questo virus viene trovato attraverso il PAP test, inoltre può trasmettersi sessualmente quindi il vaccino viene fatto su persone che non hanno ancora avuto rapporti sessuali.

 

I viroidi rappresentano una classe di molecole più piccole di un virus, prive di proteine di rivestimento e di proteine che intervengono nella replicazione, tipo le polimerasi, hanno una molecola di RNA piuttosto corta ed attaccano le piante.

Agli inizi degli anni 70 s’iniziò a studiare la malattia di Creuzfeldt-Jacob, una malattia degenerativa cerebrale che porta alla degenerazione le strutture del cervello, la quale il suo agente infettivo non possedeva alcun acido nucleico in quanto era resistente alle radiazioni X e agli utravioletti, che causano variazioni del DNA. Questo agente proteico infettivo, una volta definito, venne chiamato PRIONE. Tutte le malattie prioniche conosciute sono encefalopatie (riguardano il sistema nervoso) spongiformi (conformazione particolare tale del cervello, pieno di buchi come una spugna, dovuta alla precipitazione di queste proteine che causano sofferenza cellulare fino alla morte delle cellule stesse, si ha la formazione di una massa simile ad una spugna) trasmissibili. Negli animali di queste TSE troviamo l’encefalite spongiforme bovina o BSE, notata nei bovini che perdevano la coordinazione dei muscoli, l’encefalite spongiforme felina nei gatti e negli ovini lo SCREPIE, che ha diffuso l’encefalite anche ai bovini in Inghilterra che si cibavano di mangimi animali di ovini.

Nell’uomo esistono diverse varietà della malattia di Creutzfeldt-Jakob, tipo quella iatrogena (dovuta a manipolazioni operatorie o farmacologiche operate dal medico, ad esempio nelle persone trapiantate con organi malati per questo tipo di malattia), la variante della BSE, la variante familiare, dovuta a malattie genetiche, e altre varianti sporadiche. Di queste malattie prioniche esiste anche l’insomnia familiare fatale, malattia a degenerazione neuronale che porta alla morte del malato, oppure il Kuru, malattia presente in particolare in popolazioni indigene cannibali. Non ci sono tuttora terapie efficaci contro le malattie prioniche, il tempo d’incubazione è invece molto variabile, dipende da persona a persona e può arrivare fino a diversi anni.

L’agente eziologico di queste malattie è il gene endogeno cellulare PRNP, che svolge un ruolo importante nel cervello come trasportatore del rame, ma diverse sue mutazioni sono collegate alle malattie prioniche. Queste mutazioni del gene causano mutazioni nella sequenza amminoacidica della proteina PrP, con il cambiamento di un solo amminoacido o con l’inserzione di più amminoacidi, che cambiano la conformazione della proteina che viene detta PrPSc. Tutto ciò era stato analizzato nelle encefalopatie familiari, ma si è pensato che questo prione possa essere coinvolto anche nelle encefalopatie infettive, si è visto che questa proteina può infatti promuovere la trasformazione della proteina normale in una proteina mutata, si ha così un accumulo di proteine anormali che precipitano e distruggono le cellule nervose, si producono buchi simili a quelli delle spugne nel cervello e si crea la patologia.

A causa delle mutazioni del gene PRNP, la proteina corrispondente può modificare la sua struttura secondaria e terziaria, divenire così insolubile ed accumularsi nei tessuti cerebrali dove causa encefalopatie spongiformi trasmissibili. Questa forma proteica è più instabile ed infettiva, i topi knockout per il gene che codifica questa proteina (è perennemente inattivato) sono immuni da TSE. L’agente eziologico è dunque rappresentato dal gene PRNP. La proteina normale ha molto più predominanti i segmenti α-elica rispetto a quelli β-foglietto, che aumentano di due-tre volte di dimensione nella proteina mutata.

Nel 1990 l’encefalite sponiforme bovina, la BSE, divenne epidemica nei bovini del Regno Unito. L’ipotesi proposta era che i bovini si fossero infettati attraverso l’ingestione di farine di carne di pecora infette contenenti prioni: l’eliminazione di questi cibi pose sotto controllo l’epidemia ma 157 persone in Europa (di cui 148 in Gran Bretagna) morirono per una malattia simile alla BSE: non fu mai dimostrato il contagio bovino-uomo, mentre il contagio uomo-uomo è stato correlato con il trapianto di organi infetti (incluso il sangue). Con grande ritardo furono prese precauzioni che vietavano importazioni di carne dalla Gran Bretagna e la carne con l’osso (fiorentina) non potè più essere mangiata. La Gran Bretagna ha comunque continuato a vendere carne fino dal 1980 e per i 10 anni successivi, cercando di nascondere il tutto, inoltre anche siero di vitello bovino, molto importante per la coltura di cellule in vitro, veniva importato dalla Gran Bretagna perchè considerato il migliore.