Parete batterica

La polimixina è un antibiotico che agisce sulle membrane plasmatiche con un meccanismo particolare, simile a quello di un disinfettante. Sui testi di chemioterapia si dice che gli antibiotici si insinuano all’interno di un circuito metabolico che serve per produrre uno specifico costituente, e lo fanno costruire in maniera erronea, impedendone l’esatta produzione. La polimixina invece agisce direttamente sui fosfolipidi di membrana, andando ad idrolizzarli, creando dei varchi e dei pori che permettono la fuoriuscita del materiale intracitoplasmatico. Il Salvarsan invece è una molecola usata nei primi anni del ‘900, quando non c’erano ancora gli antibiotici, per curare le malattie come la sifilide e la malaria. Questo però era un estratto dell’arsenico, quindi essendo tossico, ha ucciso molte persone, nonostante alcune siano state curate. Paul Ehrlich, il suo creatore, divenuto anche premio Nobel per la medicina nel 1905, fu accusato di aver somministrato a delle prostitute, contro il loro volere, questa sostanza per vedere se funzionava. Il Prontosil invece era un colorante, messo a punto da Gerhard Domagk, il quale aveva osservato che aveva una sensibilità diversa nei tessuti dell’organismo ospite (tipo un umano) rispetto ad un terreno di coltura batterico, poi si è scoperto che il Prontosil una volta metabolizzato liberava una solfanilammide, un sulfamidico usato tutt’oggi.

La parete batterica

La parete batterica è una struttura molto importante perché condiziona il meccanismo di azione dei batteri, condiziona la sensibilità alla colorazione di Gram e dunque anche la modalità con cui questi batteri si possono eliminare tramite la terapia, perché a seconda della costituzione particolare della parete, i batteri possono essere sensibili o non sensibili ad alcuni antibiotici. Questa parete batterica si trova al di sopra della membrana plasmatica, è definita anche come sacculo o “cell wall”, inoltre non è presente solo nei batteri, dove raggiunge il grado massimo di complessità, ma anche in altre cellule. Si trova infatti anche nelle cellule vegetali, dove è costituito da un polimero molto semplice, la cellulosa, costituita da una serie di monomeri di glucosio. Si trova anche nei lieviti dove è costituita dalla chitina, un polimero abbastanza robusto composto da un’unica molecola ripetuta più volte, la N-acetil-D-glucosammina. La parete è particolarmente complessa e rigida ed andrà a condizionare la forma del batterio, per questo è chiamata anche esoscheletro, quindi la sua struttura è quella che va a determinare la classificazione dei batteri in cocchi, bacilli, coccobacilli, vibrioni, spirilli e tanti altri. Osservata al microscopio elettronico, la identifichiamo come uno strato denso agli elettroni, in particolare nell’immagine successiva si possono osservare due tipi di parete, sulla sinistra è presente quella dei batteri Gram+ mentre sulla destra è presente quella dei batteri Gram-.

La membrana interna è schiacciata contro il peptidoglicano dalla pressione interna della cellula, per mettere in evidenza la presenza di questa membrana interna si ricorre infatti alla plasmolisi, si pone cioè la cellula batterica in una soluzione contenente un’elevata concentrazione di sali o zuccheri, in modo di far perdere grandi quantità d’acqua al citoplasma, in modo che si afflosci la membrana plasmatica, e non essendo più a ridosso della parete batterica possa così essere messa in evidenza.

Nei batteri Gram+ la parete è costituita principalmente da un grosso polimero, il peptidoglicano, mentre nei batteri Gram- è presente sempre uno strato di peptidoglicano, ma molto più sottile e leggero, che non ha la stessa capacità di trattenere le sostanze idrofobe rispetto allo stesso strato presente nei batteri Gram+, quindi questi batteri Gram- hanno una copertura esterna, formata da un ulteriore membrana, chiamata membrana esterna. Questo strato sottile di peptidoglicano presente nei batteri Gram- non è sufficiente ad isolare le sostanze idrofobiche che possono penetrare la parete batterica ed arrivare a distruggere la membrana citoplasmatica, allora sono stati selezionati dall’evoluzione quei batteri dotati anche di una membrana esterna, simile alle membrane citoplasmatiche, ma che in alcuni punti (come sul foglietto esterno) assume delle caratteristiche particolari.

Nei batteri Gram- le due membrane sottendono uno spazio chiamato spazio periplasmico, in cui possono avvenire delle particolari reazioni, in quanto sono contenuti a questo livello particolari enzimi e sostanze. Questo spazio è anche un modo per disperdere meno le sostanze importanti, infatti ammettendo che la membrana plasmatica produca delle sostanze come degli enzimi o delle endotossine, nei batteri Gram+ queste vengono subito trasferite all’esterno, perché non c’è uno spazio chiuso tra le due membrane come nei batteri Gram-, quindi i batteri Gram+ devono produrne grosse quantità per poter ottenere lo stesso risultato dei batteri Gram-. Enzimi come le β-lattamasi, che idrolizzano l’anello β-lattamico della penicillina e della ciclosporina, nei batteri Gram- vengono concentrati nello spazio periplasmico e quindi non devono essere prodotti in grande quantità, perché non vengono dispersi, invece nei batteri Gram+ questi enzimi vengono dispersi nell’ambiente e quindi devono essere prodotti in grande quantità, così eventualmente possono servire anche i batteri vicini, anche di specie diversa, a diventare insensibili agli antibiotici. Sottolineiamo inoltre che nello spazio periplasmico si concentrano anche delle tossine che possono essere utilizzate per il meccanismo di azione patogena del batterio stesso.

Il peptidoglicano è costituito da due amminozuccheri che vanno a formare un dimero, e sono la N-acetil-glucosammina e il N-acetil-acido muramico, legati da un legame 1,6-β-glicosidico. Tutti questi dimeri sono legati tra loro anche da un altro legame, il 1,4-β-glicosidico (i due legami appena citati si alternano nella successione di N-acetil-glucosammina e di N-acetil-acido muramico presenti nelle catene parallele formanti il peptidoglicano), su cui agisce un enzima presente nelle lacrime, nel sudore, nella saliva e nelle nostre secrezioni, che è il lisozima, che risulta dunque essere molto importante dal punto di vista batterico, in quanto fa parte dell’immunità aspecifica. Questo lisozima agisce sulla parete dei batteri Gram+ che espongono il peptidoglicano all’esterno, mentre non agisce sui batteri Gram- perché essi espongono la membrana esterna, che prima deve essere oltrepassata. “Leccarsi le ferite” sta forse ad indicare un modo per disinfettarsi, in quanto la saliva contiene molto lisozima, un antibatterico importante nei confronti dei batteri Gram+.

Il peptidoglicano è disposto in molti strati, formati da queste lunghe catenelle di zuccheri, parallele le une alle altre, che se non fossero legate tra loro, la struttura non sarebbe così compatta e rigida da dare ai batteri una particolare forma. Infatti esistono dei legami trasversali formati da un piccolo peptide, costituito da 4 o 5 amminoacidi, oppure da un ulteriore peptide che dà una caratteristica conformazione ad L alla struttura, che descriveremo meglio tra poco. Il peptide parte dal carbossile dell’acido muramico, ed è formato da amminoacidi particolari che non si riconoscono in altri organismi, come l’acido meso-diaminopimelico, oppure sono amminoacidi con una conformazione D (tutti gli amminoacidi in biochimica hanno una configurazione ad L, dovuto alla posizione del gruppo amminico legato al carbonio-α amminoacidico), come la D-alanina. Tra questi amminoacidi ci sono anche la L-alanina e l’acido D-glutammico, che di solito costituiscono il peptide, ma non sempre questi peptidi sono identici, altrimenti tutti i batteri avrebbero la stessa antigenicità. C’è dunque una certa variazione in questi amminoacidi, anche se non è elevata. Questo peptide è collegato direttamente con il peptide adiacente che diparte a sua volta dal carbossile dell’acido muramico dell’altra catena, oppure si va a legare sempre su questo peptide ma con l’interposizione di un ulteriore peptide che disegna una caratteristica conca ad L.

In genere nei batteri Gram+ queste strutture che vanno a legare tra loro le catenelle di N-acetil-glucosammmina e acido muramico sono delle strutture conformate a L, ovvero ci sono degli amminoacidi che dipartono dal carbossile dell’acido muramico e si collegano tra loro con un ponte ad L formato da una pentaglicina, cioè una catena di 5 glicine, che va a collegarsi ai due pentapeptidi legati ai due acidi muramici di due catenelle parallele adiacenti. Nei batteri Gram- non c’è invece questa conformazione ad L, in quanto i due pentapeptidi si collegano direttamente tra di loro. La struttura dei pentapeptidi però abbiamo già detto che non è sempre identica, ciò giustifica infatti anche il cambio dell’antigenicità del batterio, che altrimenti permetterebbe di produrre un unico anticorpo contro tutti i batteri.

La parete batterica risulta essere una struttura tridimensionale, rigida e molto spessa. Lo spessore del peptidoglicano va dai 300-400 A (l’Angstrom è un’unità di misura particolare pari a 1 * 10-10 metri) nei batteri Gram+, ai 20-30 A nei batteri Gram-, che abbiamo già detto non è sufficiente ad impedire il passaggio di molecole idrofobiche. Nei batteri Gram+ lo spessore della parete è sufficiente a impedire la penetrazione delle molecole idrofobiche nella cellula batterica. L’acido N-acetil muramico è presente solo nei batteri, così come gli acidi teicoici e l’acido dipilcolinico, che fanno parte sempre dei componenti peculiari della parete delle cellule batteriche, infatti è la struttura che si forma tra queste ed altre molecole a rendere peculiare la struttura del peptidoglicano, che non si trova in nessun altro organismo.

Quando una cellula batterica viene messa in un ambiente a bassa concentrazione di sali, quindi ipotonico, se viene trattata con del lisozima sia sui batteri Gram+ che sui batteri Gram-, la parete cellulare viene rotta e fa fuoriuscire come un’ernia la membrana citoplasmatica, che poi esplode, per l’entrata massiccia di acqua che si è verificata in ambiente ipotonico. In ambiente isotonico, andando a digerire la parete degli stessi batteri di prima sempre con del lisozima, si ottengono delle forme dette protoplasti nei batteri Gram+, mentre otteniamo degli sferoplasmi nei batteri Gram-, sempre nel caso vi si riesca, perché una parte della parete rimane solitamente attaccata alla membrana plasmatica. I protoplasti, nonostante siano privi di parete, sopravvivono e sono in grado di svilupparsi tranquillamente, portando avanti la loro azione patogena, questa è la dimostrazione che la parete batterica ha una funzione fondamentale nella resistenza allo shock osmotico, che porterebbe alla lisi della cellula batterica in un ambiente ipotonico. La parete offre questa resistenza attraverso una modalità meccanica, infatti essa essendo rigida, permette all’acqua di passare per diffusione e di non venire pompata all’interno della cellula, in modo che vada ad aumentare la pressione intracitoplasmatica e spinga la membrana plasmatica della cellula batterica verso l’esterno, però quando la membrana cellulare arriva a toccare la parete batterica, non può entrare più acqua nella cellula, in quanto la membrana non si può dilatare ulteriormente. Questa è la dimostrazione del fatto che i protoplasti possono essere vitali in un ambiente isotonico, ciò permette di osservare come un bacillo, un cocco, un vibrione od uno spirillo, messi in un ambiente isotonico e sottratti alla loro parete batterica, vanno a costituire dei protoplasti che sono tutti identici tra loro, quindi perdono la loro forma caratteristica.