Membrana dei batteri

 

È molto simile come composizione chimica ed organizzazione alle membrane delle cellule eucarioti, è molto simile dunque a tutte le membrane biologiche. Osservata al microscopio elettronico si presenta come una struttura trilaminare, in cui queste strutture sono dovute alla testa dei fosfolipidi, alle code dei fosfolipidi ed ancora alle loro teste. La membrana citoplasmatica è naturalmente costituita da due foglietti di fosfolipidi, all’interno dei quali “navigano come iceberg in un mare in tempesta” le proteine. È una struttura molto fluida, le proteine infatti si spostano nella struttura, che è molto dinamica. Lo spessore è mediamente di 80 Å.

L’esperimento di plasmolisi

Dalle prime fotografie al microscopio elettronico si aveva l’impressione che la membrana non ci fosse nelle cellule batteriche, infatti essa è talmente accollata alla parete batterica, spinta contro di essa dalla pressione intracitoplasmatica, che sembra costituire un unico strato insieme alla parete batterica. Per vedere la presenza di questa membrana è stato fatto appunto l’esperimento di plasmolisi. È stata messa la cellula batterica in un ambiente ipertonico, in cui si ha una concentrazione al 20 % di saccarosio, per 2 minuti. La cellula tende a sgonfiarsi e rilascia tutta l’acqua presente nel citoplasma.

Succede l’inverso in un ambiente ipotonico ed è ancora più pericoloso per la cellula batterica, infatti quando si gonfia potrebbe esplodere.

Quando la cellula viene appunto messa in questo ambiente ipertonico, perde acqua e si affloscia, dunque la membrana plasmatica non è più accollata contro la parete batterica, questo si può mettere bene in evidenza utilizzando un colorante di contrasto. Oltre a mettere in evidenza l’esistenza della membrana citoplasmatica batterica, questa colorazione permette di rilevare delle particolari aree che sono delle connessioni con la parete batterica, dei pertugi all’interno dei quali sembra passino gli acidi nucleici dei batteriofagi. Questo è importante nel processo di trasduzione, ovvero in quel meccanismo di ricombinazione che impiega come vettori per il trasferimento dell’acido nucleico i virus stessi. Questi virus devono iniettare l’acido nucleico all’interno della cellula ma la struttura della parete batterica è abbastanza impermeabile, quindi sono necessari dei pertugi all’interno dei quali passano gli stessi acidi nucleici.

La composizione chimica

Principalmente abbiamo:

  • 60-70 % di proteine (è una percentuale superiore di quello che succede per le cellule eucariote)
  • 30-40 % di lipidi, di cui citiamo i fosfatidi (una particolare classe di lipidi), che sono diversi dalle cellule dei mammiferi

Il fosfolipide è una molecola anfipatica, ovvero presenta due componenti, una testa idrofila ed una coda idrofobica.

Le membrane cellulari batteriche, pur assomigliando alle altre membrane biologiche, sono dotate di una maggiore semplicità.

  • Per quanto riguarda i lipidi
  • Sono presenti degli acidi grassi ramificati
  • Gli acidi grassi polinsaturi (con più di un doppio legame) sono presenti solo raramente, particolarmente nel genere dei micobatteri, il cui rappresentante principale è il Mycobacterium tuberculosis
  • Sulla cellula batterica non sono mai presenti gli steroli, la loro funzione è quella di rendere più stabile la membrana citoplasmatica. L’unica eccezione è quella dei micoplasmi, vengono detti anche “mollicutes” perché non hanno una struttura precisa, variano la loro forma in quanto non sono in possesso della parete batterica, che è la struttura fondamentale per la determinazione della forma del batterio stesso. Questi hanno alcune caratteristiche peculiari, infatti presentano gli steroli sulla membrana, non dispongono della parete batterica e sono i batteri più piccoli che interessano le infezioni umane. La loro dimensione si aggira intorno agli 0,20 µm, sono più piccoli dei più grossi virus. I più grossi virus sono rappresentati dal virus del vaiolo ed hanno un diametro di 0,35 – 0,40 µm. Questo batterio viene ad essere “litigato” tra i microbiologi ed i virologi perché non si vede al microscopio ottico se non con estrema difficoltà, inoltre fa fatica a svilupparsi sui terreni sintetici
  • Normalmente l’assenza degli steroli viene ad essere sostituta da sostanze molto simili che contribuiscono a mantenere la stabilità della membrana stessa, questi sono gli opani. La formula di struttura degli opanioidi è molto simile a quella degli steroli
  • Per quanto concerne le proteine
  • Non sono glicosilate, quindi non sono legate agli zuccheri, ma anche qui troviamo un’eccezione che sono le spirochete
  • I pochi carboidrati presenti sulla membrana citoplasmatica sono quelli legati ai lipidi, quindi possiamo trovare sicuramente i glicolipidi o i glicosfingolipidi

 

Le principali funzioni della membrana citoplasmatica

  • Ritenzione del contenuto intracitoplasmatico. Essendo un costituente che circonda il citoplasma, la loro principale funzione è inizialmente la ritenzione del contenuto ed il controllo intracellulare, impedisce infatti che fuoriesca il materiale citoplasmatico

 

  • Controllo degli scambi ambiente – citoplasma dall’interno all’esterno e viceversa, è infatti l’organo adibito agli scambi. La parete batterica invece ha solo la funzione di filtro meccanico, ma è inerte da un punto di vista funzionale. La membrana citoplasmatica ha un ruolo ben definito ed attivo, con diverse modalità di trasporto.

I meccanismi di controllo di questi scambi sono tre:

  1. Diffusione passiva, avviene secondo gradiente (dall’ambiente più concentrato a quello meno concentrato), interessa delle molecole particolari ma molto piccole, principalmente l’acqua e qualche molecola liposolubile, come ad esempio il glicerolo. Ai fini di un’adeguata nutrizione ci serve che il gradiente di concentrazione sia abbastanza elevato, quindi che il nutriente sia molto concentrato all’esterno, la velocità di assunzione diminuisce infatti all’aumentare della quantità di nutriente assorbito. Per fortuna nelle cellule, mano a mano che portano all’interno una sostanza metabolica, che è già concentrata all’interno, la metabolizzano, quindi diminuisce la sua concentrazione interna ed il gradiente cambia contestualmente a queste modificazioni
  2. Diffusione facilitata, è in genere poco rappresentata nei batteri. È molto simile alla diffusione passiva, utilizza però delle proteine di trasporto specializzate che non usufruiscono di energia per portare avanti questo meccanismo. È ancora un passaggio che avviene da un gradiente maggiore ad un gradiente minore, non richiede nessun input di energia metabolica. Aumenta la rapidità di trasporto delle molecole che sono comunque molto piccole, principalmente l’acqua ed il glicerolo. Il meccanismo è reversibile perché la concentrazione varia dall’interno all’esterno della cellula
  3. Trasporto attivo, usufruisce dell’energia della cellula che viene immagazzinata in modo diverso a seconda che il batterio sia aerobio / anaerobio / facoltativo. Le “proteine carrier” trasportano contro gradiente di concentrazione (o elettrochimico) anche molecole di grosse dimensioni ed utilizzano l’ATP come fonte energetica. Un batterio che vive in un ambiente esterno e non in vitro si trova a cozzare con questo problema, tutte le sostanze sono molto più concentrate all’interno che non all’esterno della cellula, esso deve quindi trasportare i materiali quasi sempre contro gradiente, il che richiede un grande dispendio di energia.

 

  • Molti processi biosintetici avvengono proprio sulla membrana plasmatica
  • In particolare la biosintesi della parete batterica e la biosintesi lipidica avvengono proprio sulla membrana citoplasmatica
  • La catena respiratoria (non esattamente completa come nelle cellule eucariote), almeno per le cellule che respirano, trova sulla membrana la localizzazione degli enzimi delle catena respiratoria. Nella maggior parte dei casi in punti ben precisi che vengono individuati nei mesosomi (le introflessioni della membrana) vengono a localizzarsi questi enzimi della catena respiratoria. Insieme a questi enzimi ci sono anche dei citocromi, altri enzimi molto importanti per la fosforilazione ossidativa.

I mesosomi

La membrana citoplasmatica non decorre parallelamente alla parete batterica in tutti i punti, molto spesso osserviamo delle invaginazioni che si approfondano verso il centro della cellula e sono definite mesosomi.

Molti autori dicono che questi mesosomi sono degli artefatti dovuti alla preparazione della colorazione, che serve per osservare la cellula al microscopio elettronico. Questo non è vero, è stato stabilito che questi mesosomi hanno delle funzioni ben precise e molto importanti.

Sono dei sacculi ripieni di vescicole, tubuli e lamelle. Sono principalmente rappresentati nei batteri GRAM+ rispetto ai batteri GRAM-. Poiché la membrana non decorre parallelamente alla parete batterica, la funzione dei mesosomi è quella di allungare il perimetro della membrana, essendo un costituente molto importante ed avendo numerose funzioni.

 

Queste introflessioni possono essere suddivise in due principali gruppi, i mesosomi centrali ed i mesosomi laterali.

 

  • Mesosomi centrali

Tra i mesosomi centrali sono rappresentati quelli che servono per la replicazione dall’acido nucleico. Il DNA dei batteri, in una delle due eliche, è collegato a questi mesosomi, passa infatti all’interno dei mesosomi come se passasse per la cruna di un ago. Al momento della replicazione della cellula, si replica prima il mesosoma. La seconda elica passa prima all’interno di questo secondo mesosoma, il quale con il materiale neoformato interposto si sposta e sfila le due eliche, allontanandole l’una dall’altra nel momento in cui contemporaneamente si viene a replicare l’elica complementare. Quando i due mesosomi sono alla distanza giusta, si è già duplicato l’acido nucleico. Questa separazione operata dall’allontanamento dei due mesosomi viene considerato un apparato mitotico primordiale, perché ripartisce nelle due metà l’acido nucleico della cellula batterica, prima che questo venga replicato. Nello stesso momento si viene a formare, mano a mano che i due mesosomi si sono allontanati e si sono replicati i due acidi nucleici, un setto trasverso che tende a fondersi separando i due protoplasti endocellulari, seppure all’interno della stessa cellula madre. Prima vengono separate le due eliche da cui si formano i due cromosomi, poi parte questo setto trasverso che permette la separazione di due cellule già quasi complete all’interno della struttura ancora presente nella cellula madre, in quanto la parete batterica ancora non è stata suddivisa. I due setti si fondono ed abbiamo ancora i due protoplasti endocellulari all’interno della stessa parete (si chiama protoplasto una cellula batterica completa ma senza parete batterica). Una volta che il setto trasverso si è formato, finalmente assistiamo alla separazione delle due cellule. Più volte però può capitare che le due cellule rimangano accollate, dando vita a particolari raggruppamenti che ci aiuteranno poi ad identificarle. I mesosomi centrali sono quindi importanti per la divisione cellulare e per l’aggancio del cromosoma.

 

  • Mesosomi laterali

Rappresentano la sede degli enzimi deputati alla degradazione degli antibiotici β-lattamici. La cellula batterica che è resistente alle cefalosporine, alla penicillina ed a tutti gli antibiotici β-lattamici (si chiamano β-lattamici perché hanno nella molecola una struttura particolare, un anello detto appunto β-lattamico che viene idrolizzato dagli enzimi β-lattamasi, prodotti principalmente in questa sede) attua questo tipo di meccanismo. Questo permette alle cellule batteriche che ne dispongono di essere resistenti agli antibiotici β-lattamici.

In alcuni casi troviamo le catene respiratorie dei batteri aerobi.

Almeno nel 50 % dei batteri, la parete è complessata da un’ulteriore struttura esterna che si chiama membrana esterna, quindi le cellule batteriche hanno essenzialmente due membrane che vengono a formare un’intercapedine, una sorta di camera. Alcuni antibiotici agiscono a carico di queste membrane, sia delle membrana citoplasmatiche che delle membrane esterne, che viene ancora più facilmente a contatto con l’antibiotico (in quanto è più a contatto con l’ambiente esterno).

Gli antibiotici ed anche i chemioterapici agiscono andando a impedire la formazione di un particolare costituente, oppure andando ad impedirne le corrette costituzioni, per cui viene ad essere formato il tutto in maniera sbagliata, in questo caso delle molecole errate si insinuano in maniera subdola all’interno di un circolo metabolico, portando all’allestimento di una struttura come la parete batterica o la membrana stessa. ed impedendone l’esatta riproduzione. Succede che se la parete batterica è stata costruita male, appena la cellula batterica si trova in un ambiente ad esempio ipotonico ed assorbe molta acqua, si spacca la membrana e la cellula esplode. Si tratta di un meccanismo molto subdolo perché entra nell’ingranaggio dei circuiti metabolici che portano alla costruzione di un costituente essenziale per la vita del batterio, questa è appunto l’azione di un antibiotico.

Se la cellula batterica fosse intelligente, potrebbe bloccare la sua sintesi proteica e la sua replicazione, l’antibiotico vi passerebbe sopra come acqua perché l’antibiotico non distrugge un costituente preformato (come potrebbe fare un disinfettante).

I disinfettanti invece distruggono, sciolgono un costituente preformato, agiscono in modo più drastico.

 

Gli antibiotici che agiscono sulla membrana citoplasmatica sono principalmente le polimixine, le colistine e le colimicine, che fanno parte delle polimixine, sono prodotte dal Bacillus polimyxa (quindi ancora una volta sono delle sostanze naturali), inoltre agiscono in maniera molto simile ai disinfettanti, perché idrolizzano i fosfolipidi di membrana. Venendo a contatto con questo antibiotico, i fosfolipidi di membrana si aprono e creano dei varchi, si hanno quindi dei flussi verso l’esterno di materiale intracitoplasmatico. Questo meccanismo è molto simile ad un disinfettante perché non agisce impedendo la costruzione della struttura della membrana, ma invece porta ad una degradazione di una struttura preformata. In questo modo si distruggono le proprietà osmotiche e si ha la fuoriuscita dei metaboliti a partire dall’interno della cellula. Una sostanza che agisce in questo modo presenta una certa tossicità, antibiotici del genere potranno essere impiegati esclusivamente per un uso topico, perché altrimenti per un uso sistemico potrebbero portare a dei notevoli danni anche alle cellule sistemiche. Altri antibiotici agiscono sulla membrana, non però come fanno le polimixine ma interferendo sull’azione, sui meccanismi della membrana. Agiscono quindi sulle attività biosintetiche delle membrana, impedendo ad esempio la sintesi degli acidi teicoici, che sono una parte integrante della parete batterica dei batteri GRA