Cellula batterica

 

IL CONFRONTO TRA LA CELLULA EUCARIOTA E LA CELLULA PROCARIOTA

Nella cellula eucariota troviamo una certa complessità, mentre nella cellula procariota non troviamo quasi nulla.

Dimensioni: le due diverse cellule non sono in proporzioni identiche, infatti le prime hanno un diametro circa di 0,5 µm, mentre le altre lo hanno circa di 10 µm. Bisogna così moltiplicare per 20 il diametro della cellula procariote per eguagliare la sua dimensione a quella della cellula eucariote.

Nello schema sovrastante viene fatto un confronto fra le strutture presenti o assenti nelle due cellule:

  • Organizzazione del materiale genetico

Il nucleo c’è, ma non è circondato da una membrana nei procarioti, naviga nel citoplasma libero, senza nessuna divisione dal citoplasma stesso. Gli istoni non sono presenti nelle cellule procariote, mentre sono presenti negli eucarioti.

Il numero di cromosomi è pari ad uno nel batterio perché tutta la parte che si riferisce all’acido nucleico viene considerato un cromosoma (in questo caso è chiamato nucleoide), rispetto ad esempio ai 46 cromosomi presenti nella specie umana. Ricordiamo che il nucleolo non è presente nei batteri, inoltre sempre nei batteri non c’è la mitosi o meglio, c’è una mitosi strana, alcuni ricercatori suppongono che ci sia un apparato mitotico primordiale. Questa struttura aiuta la separazione delle due eliche prima della loro replicazione

  • Ricombinazione genica: esiste nei batteri, la studieremo nel dettaglio perché alcune sono importantissime per quello che riguarda l’acquisizione dei geni dell’antibiotico-resistenza, ma anche dei fattori di virulenza
  • Mitocondri e cloroplasti: sono assenti nei batteri ma presenti invece nelle cellule superiori
  • Membrana citoplasmatica con gli steroli (sono delle grosse molecole anfipatiche, come il colesterolo): soltanto in un’unica eccezione sono presenti nella cellula batterica, altrimenti sono sempre assenti, mentre sono presenti negli eucarioti
  • Flagelli: sono presenti nelle cellule mobili, sia procariotiche che eucariotiche
  • Reticolo endoplasmatico: è assente nei batteri, a meno che non si vada a considerare un “mini reticolo endoplasmatico”, supposto e non accertato definitivamente perché si pensa che i ribosomi debbano essere appoggiati da qualche parte nella cellula
  • Apparato di Golgi: come altre strutture, non è presente nella cellula batterica
  • Pareti cellulari: possono essere presenti sia nelle cellule batteriche che nelle cellule eucarioti. Se si considerano le cellule vegetali, i miceti o i lieviti, può essere presente una parete cellulare anche negli eucarioti, in ogni caso è più semplice nella struttura e nei vari componenti rispetto alle cellule batteriche
  • Organuli
  • Ribosomi: hanno qualche caratteristica che li differenzia da quelli delle cellule eucariote, per questo sono la sede ed il bersaglio di alcuni antibiotici che altrimenti non potremmo impiegare, perché sarebbero ultratossici anche per i nostri ribosomi
  • Lisosomi e microtubuli: sono assenti nelle cellule procarioti
  • Differenziazione: è elementare, i batteri si dividono con una modalità che è detta duplicazione semplice, ovvero da una cellula ne derivano due. Si dice “semplice” perché non si conosce veramente come avvenga il processo

 

I COSTITUENTI CHIMICI

Entrando nel dettaglio della cellula batterica, guardiamo quali sono ora i vari costituenti chimici. I vari componenti sono molto importanti perché vengono indicati come target degli antibiotici che vengono usati nella terapia.

Acqua

La maggior parte delle cellule che conosciamo (batteriche, vegetali o umane) sono costituite principalmente da acqua, per un 70-80 % della loro interezza. La stessa cosa accade anche per i batteri, l’acqua è il solvente in cui vengono sciolti tutti i principali componenti che siano organici o non organici, infatti alcune molecole di acqua non sono libere, ma legate ai vari costituenti principali.

I componenti inorganici

I principali componenti inorganici sono quelli che si trovano rappresentati nella maggior parte delle cellule, si parla in particolare degli ioni, tra cui citiamo gli ioni potassio, gli ioni sodio, gli ioni magnesio, gli ioni calcio, gli ioni zinco, gli ioni zolfo e diversi altri ancora. 

I componenti organici

Ci sono dei componenti organici che invece sono molto più caratteristici e caratterizzanti per le cellule rispetto ai componenti inorganici. Troviamo delle sostanze che non sempre si trovano in altre cellule, sono peculiari di un tipo di cellula, non tanto per il monomero particolare, quanto per il mosaico che si viene a costituire, quindi si parla essenzialmente di vari componenti che costituiscono dei quadri molecolari molto specifici e particolari. Ad esempio il peptidoglicano è caratteristico dei batteri, esso è un polimero molto complesso che costituisce di per sé la quasi totalità della parete batterica dei batteri GRAM+. Proprio sul peptidoglicano agiscono due o tre classi di antibiotici molto importanti come la penicillina e le cefalosporine. Altri componenti tipici dei batteri sono gli acidi teicoici, anch’esse sono infatti delle sostanze presenti sulla parete batterica. S’intercalano con il peptidoglicano rendendolo più compatto ed hanno altre funzioni, ad esempio mediano l’attività di adesione della cellula stessa. L’acido dipicolinico è una sostanza presente solo in particolari tipi di batteri, ed è una componente determinante, fondamentale delle spore. In particolare i sali di acido dipicolinico, in particolare i dipicolinati di calcio, sono presenti esclusivamente nelle spore ed attribuiscono a queste strutture particolari una notevole resistenza al calore ed anche alla penetrazione di sostanze dall’esterno.

Le principali sostanze presenti nella cellula batterica

Considerando il peso secco e togliendo il 60-70 % di acqua, rimane:

  • un 55 % di proteine (quindi più della metà del peso secco della cellula batterica è costituita da proteine)
  • un 20 % è costituito da RNA (tra cui inseriamo i ribosomi)
  • il 25 % rimanente è dato da polisaccaridi, lipidi, lipopolisaccaridi, DNA (non era inizialmente Feulgen+ (è una colorazione caratteristica che mette in evidenza solo il DNA, grazie all’acido cloridrico ed al reattivo di Schiff), soltanto con l’eliminazione dei ribosomi batterici si è riusciti a mettere in evidenza la presenza del DNA all’interno della cellula batterica, proprio con la colorazione citata in precedenza) ed altri componenti come amminoacidi e zuccheri.

IL CROMOSOMA BATTERICO 

Il citoplasma batterico è la zona della cellula in cui è localizzato il DNA, che è il depositario dell’informazione genica, infatti tutte le informazioni sono dentro questo DNA, che è una lunghissima molecola circolare chiusa e super-spiralizzata. Se noi la tagliassimo per linealizzarla, sarebbe circa un migliaio di volte più lunga della cellula batterica. Una cellula batterica è lunga circa 1 / 1,5 µm, la lunghezza dell’acido nucleico linearizzato è invece quasi 1 / 1,5 mm.

Per fare stare una molecola del genere al’interno di un volume così piccolo, essa deve essere avvolta in una matassa super-spiralizzata, inoltre per fare sì che questo DNA possa svolgere allo stesso tempo tutte le sue funzioni, intervengono degli enzimi specifici che lavorano con questo stesso DNA, questi enzimi sono rappresentati dalle topoisomerasi. Sulle topoisomerasi avremo infatti la possibilità di fare agire alcuni chemio-antibiotici molto importanti, che bloccano la moltiplicazione dell’acido nucleico, quindi anche della cellula batterica. L’intensa basofilia della cellula, dovuta alla ricchezza del RNA disperso su tutto il citoplasma e probabilmente appoggiato su un “mini reticolo endoplasmatico” faceva discutere sulla presenza all’interno della cellula di un DNA, quindi di un nucleo simile a quello delle cellule superiori. Utilizzando procedimenti particolari come l’idrolisi acida, si è riusciti ad allontanare il RNA. Questo ha permesso, attraverso delle colorazioni particolari, di evidenziare nei batteri queste strutture intracitoplasmatiche Feulgen+, la reazione caratteristica che mette in evidenza il DNA, inoltre si è potuto osservare più dettagliatamente la morfologia della cellula batterica tramite alcune fotografie al microscopio elettronico.

In una cellula batterica sono spesso rappresentati da 2 a 4 cromosomi. Questo non perché la cellula abbia 4 cromosomi, ma per la mancanza di simultaneità tra la separazione delle due cellule figlie e la replicazione del DNA. La cellula che si divide deve già contenere il suo acido nucleico, quindi prima si duplica l’acido nucleico e poi le due cellule si separano. Solitamente si osserva il caso di un’unica cellula che si sta duplicando, in cui si osserva la presenza del setto trasverso, che permette la separazione all’interno di una cellula madre di due protoplasti, che diventeranno poi le due cellule figlie. Essendo il setto trasverso ormai già fuso (dipartono infatti in senso opposto due setti, che poi s’incontrano, fondendosi), hanno già separato all’interno della stessa struttura batterica della cellula madre i due protoplasti. I protoplasti sono ciò che formerà le due cellule figlie e devono già avere i due cromosomi.

L’acido nucleico nei batteri, a differenza di quanto accade nelle cellule eucariote, è collegato alla membrana citoplasmatica in zone ben precise, che vengono definite mesosomi. I mesosomi sono delle introflessioni della membrana citoplasmatica che s’invaginano dalla membrana verso il centro della cellula, ed hanno diversissime funzioni. Uno di questi mesosomi è importante perché lega l’acido nucleico della cellula batterica. L’acido nucleico passa come all’interno della cruna di un ago in questo mesosoma e rimane lì agganciato. Quando la cellula dovrà duplicarsi, duplicherà un altro mesosoma vicino a quello citato in precedenza, e farà passare il secondo filamento di DNA all’interno di questo secondo mesosoma, che poi verrà spostato gradualmente. Allontanandosi l’uno dall’altro i due mesosomi sfileranno le due eliche. È per questo che alcuni ricercatori lo chiamano apparato mitotico primordiale, perché i mesosomi che si allontanano sfilano le due eliche e mano a mano che si spostano replicano la parte complementare dell’acido nucleico e danno vita alle due molecole di DNA. Questo legame tra la membrana citoplasmatica e l’acido nucleico è presente solo nella cellula batterica. Il cromosoma non è legato mai agli istoni, ma a delle proteine acide.

Se osserviamo più dettagliatamente una cellula batterica al microscopio, noteremo delle altre zone di materiale di DNA che non fanno parte della struttura del cromosoma batterico, ma sono extra-cromosomiche, ovvero sono delle piccole strutture di DNA che vengono definite plasmidi, che hanno un’importanza notevole nell’attribuire i caratteri accessori alla cellula. Alcuni esempi di questi caratteri accessori sono l’antibiotico-resistenza dei batteri (è dovuta quasi esclusivamente alla presenza di geni extracromosomici, localizzati a livello plasmidico) ed i fattori di virulenza, come dei particolari enzimi, oppure addirittura delle tossine, codificate sempre a livello plasmidico.

I plasmidi sono delle piccole entità di DNA separate e localizzate in un punto preciso adiacente alla membrana citoplasmatica, inoltre hanno delle dimensioni di un centinaio di volte inferiori rispetto al DNA del cromosoma batterico. La caratteristica peculiare di questi plasmidi è che vengono trasferiti mediante una coniugazione dalla cellula donatrice (che li presenta) ad una cellula ricevente, che dopo la coniugazione a sua volta li avrà acquisiti. Si possono sia acquisire che perdere con estrema facilità.

Per ogni costituente della cellula batterica cercheremo d’individuare un bersaglio preciso con cui allestire una terapia con gli antibiotici, in particolare il cromosoma è il bersaglio di tanti chemioterapici.