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Trasformazioni chimiche e chimico-fisiche il cui scopo finale è la creazione di una nuova cellula
Metabolismo Batterico
Per tutte le
funzioni 2. precursori delle macromolecole (zuccheri, aa, acidi grassi)
1. energia ATP
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Funzioni genetiche
replicazione
trascrizione traduzione
DNA RNA proteine
riproduzione
acidi grassi)
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Metabolismo Batterico
Per produrre energia i batteri sfruttano :
1 Energia solare → batteri fotosintetici
2 Energia da sostanze chimiche → batteri chemiosintetici
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chemiosintetici
Processi di fosforilazione: ADP → ATP
1 fotosintesi
2 -fermentazione (ossidazione parziale del substrato), - -respirazione aerobia (accettore finale O2) ed anaerobia (accettore finale nitrati, solfati, CO2)
Classificazione
Fotoautotrofi (fotosintesi) C da anidride carbonica
Fotoeterotrofi (energia da luce) C da composti organici
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C da composti organici
Chemoautotrofi (energia da ox-red) C da anidride carbonica
Chemeoeterotrofi (energia da ox-red) C da composti organici
SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO
Peptidoglicano
Punto di crescitadella parete cellulare
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Membrana citoplasmaticaEsterno
Interno
Bactoprenolo
Pentapeptide
SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO
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D-Ala
D-Ala
Transpeptidazione
Protoplasti e sferoplasti
La sintesi di parete può essereinibita (es. lisozima o antibiotici)
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Protoplasti parete totalmenteassente
Sferoplasti parete parzialmenteassente
Le sintesi macromolecolari
la replicazione del DNA
Le due catene parentali non si separanocompletamente
La polimerizzazione dei nucleosidi trifosfati avvieneper opera della polimerasi
Nei batteri: polimerasi I, II e III.
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Nei batteri: polimerasi I, II e III.
Polimerasi III più importante
La separazione delle due eliche è catalizzata datopoisomerasi I e girasi
La duplicazione comincia dal sito oriC(V=40µm/min) ed è semiconservativa
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Cellula 1-1,5 µm; DNA lunghezza 1mm;
Cellula 1mm, DNA 1m
Le sintesi macromolecolari
la sintesi proteica
Codon di inizio
m-RNA- 30S + t-RNA - f-Met + 50S
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Codon terminatore
Sintesi di proteine costitutiva o inducibile.
Regolazione della sintesi proteica
Limiti dell’esistenza batterica
pH 5-9: maggioranza batteri
Thiobacillus thiooxidans pH 0.5
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Thiobacillus thiooxidans pH 0.5
ox
H2S → acido solforico
E.faecalis, Bacillus circulans pH 10-11
EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DI
NaCl SULLA CRESCITA
Velocità
Alotollerante Alofilo AlofiloestremoEsempio:
Staphylococcus Esempio:Vibrio fischeri Esempio:
Halobacterium salinarumaureus
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Non alofilo
Esempio:Escherichiacoli
Velocità di crescita
0.9% 15%7% 30%
CONDIZIONI DI CRESCITA
Ossigeno
Anaerobiosi
Co2
Ioni inorganici
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Ioni inorganici
Temperatura
pH
NaCl
Esoenzimi
Terreni liquidi/solidi
Limiti dell’esistenza batterica
Umidità: è condizione favorente
liofilizzazione
Temperatura: 20-45°C mesofili45-75°C termofili facoltativi
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45-75°C termofili facoltativi
50-75°C termofili obbligati
inibiti a 30°C psicrofili
NO meccanismi di termoregolazione
Limiti dell’esistenza batterica
Pressione atmosferica: batteri barofili? adattati acrescere a pressioni elevate (fondali oceanici)
Concentrazione sali: NaCl 0.85% fisiologica
7-8% Stafilococchi
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7-8% Stafilococchi
15-25% alofili
Pressione osmotica: pochissimi batteri osmofili cresconoin presenza di pressione osmotica elevata
Terreni di coltura
solidi
Agar:polisaccaride estrattoda alcune alghe
1-2% gelificazione
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1-2% gelificazione
> 80°C → liquido
< 45°C → solido
Terreni sintetici
Terreni di base addizionaticon sostanze naturali
Le colture isolanti
Per disseminazione
sul terreno
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Per diluizione nel terreno
(agar-batteri)
Mezzi selettivi di isolamento
isolamento
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Condizioni di incubazione
Temperatura ottimale
CO2, aerobiosi o anaerobiosi
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CO2, aerobiosi o anaerobiosi
Terreni di coltura
liquidi
Stessa composizione dei terreni solidi
(non contiene agar)
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Intorbidamento del terreno
CURVA DI CRESCITA DI UNA
POPOLAZIONE BATTERICA
Fasi della crescita
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Latenza Esponenziale Stazionaria Morte
Conta vitale
TorbiditàDensità ottica
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Rappresentazione schematica della divisione di cellule
bastoncellari o coccoidi
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I batteri si dividono per scissione binaria
Il tempo di divisione (generazione) della cellula batterica è molto
variabile e dipende dalla specie e dal terreno di coltura
Ad es. E. coli può dividersi ogni 20 min, in una notte oltre
20 generazioni (circa 500 anni per un uomo)
M. tuberculosis ha un tempo di generazione di circa 24 ore
In un sistema chiuso, la crescita esponenziale non può continuare per un tempo indefinito. Una
singola cellula batterica con un tempo di generazione di 20 minuti produrrebbe, se
continuasse a crescere in modo esponenziale per
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continuasse a crescere in modo esponenziale per 48 ore, una popolazione il cui peso sarebbe circa
4000 volte il peso della terra, dato particolarmente impressionante se si considera che il peso di una
singola cellula batterica è circa 10-12 g.
RIPRODUZIONE PER SCISSIONE SEMPLICE
DNA
Replicazione del DNA
Allungamento della cellula
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Generazionecellulare
Formazione del setto
Completamento del setto con formazione di pareti distinte
Separazione della cellula
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LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’
Eredità: stabilità e la variabilità nel vasto assortimentodi funzioni fisiologiche che formano le proprietà deimicroorganismi.
Gene: sequenza di DNA che codifica per un prodottofunzionale o controlla le proprietà di un microorganismo
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funzionale o controlla le proprietà di un microorganismo(caratteristiche biochimiche, di patogenicità, diresistenza agli antibiotici, ecc.,). I geni sono localizzatisul cromosoma. Il cromosoma è duplicato prima delladivisione cellulare così le cellule figlie ricevono uncorredo identico di geni.
I geni nel loro insieme costituiscono il genoma e formano il cosiddetto genotipo.
LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’
La replicazione del cromosoma è un processo
preciso, molto raramente si hanno errori durante la
sintesi, (mutazioni, cioè variazioni permanenti della
sequenza originale del gene).
Nell’Escherichia coli è oltre 3 miliardi di Daltons
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Nell’Escherichia coli è oltre 3 miliardi di Daltons
(>4000 Kbp). E’ una doppia elica fatta da due
sequenze complementari di basi puriniche e
pirimidiniche tenute insieme da legami idrogeno (G-
C) (T-A). Struttura circolare (lunghezza ~ 1mm)
Mutazioni
Mutazione: modifica permanente della sequenza nucleotidica
di un gene. Gli alleli sono diverse forme di un gene mutato.
MutageniAgenti chimici e fisici che aumentano la frequenza di
mutazione.Fisici: radiazioni, UV, caloreChimici: diretta reazione col DNA, composti nitrosi,
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Chimici: diretta reazione col DNA, composti nitrosi,agenti alchilanti, analoghi delle basi e composti cherichiedono l’attivazione di enzimi cellulari.Mutazioni indotte: molti agenti chimici causano
mutazione perché aumentano gli errori di appaiamentotra le due catene di DNA. Altri composti si intercalanotra le eliche (acridine), creano distacchi ecomplementazioni intracatenarie.
Mutazioni
• Riparazione dei danni: sistema senza errori (error-free) e sistema con errori (error-prone). Una lesione sul DNA scatena nella cellula la produzione di enzimi deputati alla riparazione (sistema SOS). Gli errori sono rimossi da nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella
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nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella complementare ancora intatta (template). Se anche l’altra catena è danneggiata allora il sistema ripara ma causa errori.
• Sequenze non senso (UAG, UAA e UGA) sono il segnale di fine traduzione del mRNA, quando per mutazione si crea un non senso la traduzione si interrompe in quel punto.
RICOMBINAZIONE DEL DNA
Due tipi di ricombinazione
• Generalizzata (mediata dal gene recA)
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recA)
• Specializzata (recA-indipendente)
TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICONEI BATTERI
• CONIUGAZIONE
• mediata da F o altri plasmidi coniugativi sexduzione
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• TRASDUZIONE
• generalizzata o specializzata
• TRASFORMAZIONE
CONIUGAZIONE
Scambio di materiale genetico mediante contatto tra due cellule
DONATORE > RICEVENTE
Plasmide F (o altro coniugativo, produce un pilo tipico)
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Plasmide F (o altro coniugativo, produce un pilo tipico)
Apparato coniugativo per trasferire se stesso – spesso ad alta frequenza
Il plasmide F può integrarsi sul cromosoma >> Hfr*
*High frequency of recombination
CONIUGAZIONE
F (o simile) codifica per un pilo sessuale che identifica un recettore (ompA) sulla superficie
esterna del ricevente
molti plasmidi codificano per un repressore che
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molti plasmidi codificano per un repressore che blocca la formazione del pilo (espresso
temporaneamente)
dopo contatto con il ricevente il pilo si ritrae e le due cellule sono in comunicazione per via di un
ponte citoplasmatico
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TRASFERIMENTO DI DNA PLASMIDICO PER CONIUGAZIONE
Cromosomaplasmide batterico F
Pilo
Cellula F+ Il Pilo si ritraeCellula F-
Nella cellula ricevente comincia
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Cellula F+ Il Pilo si ritrae
Coppia di cellule stabilizzataIl plasmide F è tagliato su un’elica
Trasferimento di un’elica di DNA di F da una cellula F+ a una F-. Il plasmide F si replica simultaneamente nelle cellule F+
Nella cellula ricevente comincia la sintesi dell’elica complementare
Compimento del trasferimentodel DNA e sintesi le cellule si separano
Cellula F+F+
CONIUGAZIONE
• I geni sono trasferiti in ordine fisso
• Esiste un gradiente di trasmissione
• Hfr diversi hanno origine diversa
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• Hfr diversi hanno origine diversa
• Attraverso le frequenze di ricombinazione circolarità del cromosoma
• Distanze dei geni sul cromosoma (tempo)
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CONIUGAZIONEF’
Originano da F che nel distacco dal cromosoma catturano segmenti di DNA
può replicarsi autonomamente
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può replicarsi autonomamente
può ricombinarsi nel ricevente
può integrarsi sul cromosoma
CONIUGAZIONEGram-positivi
il donatore forma una proteina sulla superficie della cellula (adesina) che media l’aggregazione con le cellule riceventi
le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM
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le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM 1000) che stimolano la produzione di adesina
fusione di protoplasti naturale o mediante glicole etilenico
Trasduzione E' un meccanismo di scambio di
materiale genetico mediato da batteriofagi
I virus batterici o batteriofagi sono classificati in tre grossi gruppi:Virulenti autonomi: infettano le cellule batteriche e si sviluppano senza richiedere alcuna funzione cellulare (vi sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la
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sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la uccidono).Virulenti dipendenti: per il loro sviluppo necessitano di funzioni cellulari e quindi la cellula non muore sino a che il virus non giunge a maturazioneTemperati: sono virus che solo occasionalmente uccidono la cellula spesso entrano in simbiosi con essa come fanno alcuni plasmidi duplicandosi insieme alla cellula.
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The T4 infectious cycle
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Lysogeny
Temperate phages can convert host to lysogen
Establishment likely with high level of infection of bacterial culture, starvation
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infection of bacterial culture, starvation
Stable association of phage DNA with bacterial cell (prophage)
Normal growth and division of lysogen
Environmental cues may induce lytic cycle
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Cellula batterica
FagoCiclo litico Cellula trasdotta
TRASDUZIONE generalizzata
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Fago
Particella trasducente
Cellulabatterica
Particella trasducente(DNA dell’ospite dentrol’involucro virale)
Trasduzione Ricombinazione genetica con il DNA dell’ospite
TRASDUZIONE specializzata
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gal bio
gal bio
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TRASFORMAZIONE
• Tre meccanismi distinti• Pneumococchi• legano DNA doppia elica• non specifico• entra un solo filamento
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• Haemophilus• DNA doppia elica specifico
• artificiale• sferoplasti• elettroporazione
Cromosomabatterico DNA trasformante
Proteina di legame al DNA
Proteina specifica della competenzache lega il DNA a singola elica
Nucleasi
TRASFORMAZIONE
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Nucleasi
Nucleotidiliberi
Proteina RecA
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TRANSPOSIZIONE
Sequenza bersaglio
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Sequenza bersaglio duplicata
Elemento Transponibileinserito
Elementotransponibile
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Specificità d’ospite del DNA(Enzimi di restrizione modificazione del DNA)
Il materiale genetico (DNA) sintetizzato dai batteri subisce un processo di metilazione che è specifico di ogni specie batterica
La modificazione del DNA è come un’
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La modificazione del DNA è come un’ identità del materiale genetico che è riconosciuto da enzimi (nucleasi) detti di restrizione, in quanto degradano ogni DNA che è stato prodotto in altre specie batteriche (estraneo)
Specificità d’ospite del DNA(Enzimi di restrizione e modificazione del DNA)
Ogni volta che una cellula batterica riceve DNA da altre specie questo è riconosciuto come estraneo e quindi degradato
L’efficienza di questo meccanismo varia da
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L’efficienza di questo meccanismo varia da specie a specie (0- 1x10-4)
Gli enzimi di restrizioni sono utilizzati in Biologia Molecolare (ingegneria genetica, mappe di restrizione ecc)