della Seconda Università degli studi di Napoli

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La parete cellulare: struttura e funzioni

I batteri possono essere suddivisi in due gruppi principali, detti Gram-positivi e Gram-negativi. La distinzione si basa su una particolare tecnica di colorazione; alla base della diversità di risposta alla colorazione di Gram vi sono differenze di struttura della parete cellulare.

La parete cellulare delle cellule Gram-negative è una struttura pluristratificata e piuttosto complessa, mentre la parete cellulare dei Gram-positivi  è costituita essenzialmente da un unico tipo di molecola ed è in genere più spessa. Sebbene vari Archea, e perfino alcuni Eucarioti, possano assumere colorazione Gram-positiva o Gram-negativa, la parete cellulare dei Batteri è chimicamente unica e di immensa rilevanza pratica.

Lo strato rigido: il peptidoglicano

Lo strato rigido dei  batteri  Gram-positivi e Gram-negativi  ha una composizione chimica molto simile. Questo strato, detto peptidoglicano (o mureina) è una sottile lamina costituita da due derivati polisaccaridici, l’N-acetilglucosamina e l’acido N-acetilmuramico, e da un piccolo gruppo di amminoacidi rappresentato da:

Le catene di glicano costituite da zuccheri sono tenute insieme da legami crociati peptidici tra aminoacidi. La robustezza propria della struttura peptidoglicanica si ottiene soltanto quando queste catene vengono unite tra loro da amminoacidi mediante questi legami crociati.

  • Nei batteri Gram-negativi i legami sono rappresentati generalmente da un legame peptidico diretto tra il gruppo amminico dell’acido diaminopimelico e il gruppo carbossilico della D-alanina terminale.
  • Nei batteri Gram-positivi i legami crociati sono costituiti da un ponte peptidico ed il tipo e il numero di legami crociati varia in modo caratteristico da un organismo all’altro. Ad esempio nello Staphylococcus aureus, l’organismo Gram-positivo maggiormente studiato, ogni ponte peptidico è costituito da cinque molecole dell’aminoacido glicina, collegate tra di loro da legami peptidici.

Diversità del peptidoglicano

È presente solo nei batteri. L’acido N-acetilmuramico e l’ acido diaminopimelico sono del tutto assenti nella parete cellulare degli Archea e degli Eucarioti. Non tutti i batteri però hanno il DAP. Questo è presente in tutti i batteri Gram-negativi ed in alcune specie Gram-positive, ma nella gran parte dei cocchi Gram-positivi al posto del DAP vi è la lisina, e , in qualche altro Gram-positivo vi possono essere altri amminoacidi. Altra caratteristica particolare della parete cellulare batterica: 2 aminoacidi in configurazione D, la D-alanina e l’acido D-glutammico.

Considerazioni generali sulla struttura del peptidoglicano:

La porzione glicanica è costante e contiene solo N-acetilglucosamina e acido N-acetilmuramico, collegati tra loro sempre da un legame b-1,4.

Il tetrapeptide dell’unità di ripetizione (L-alanina acido D-glutammico, acido diaminopimelico, D-alanina) presenta essenzialmente una sola sostituzione amminoacidica, alternando la presenza della dell’acido diaminopimelico con la lisina.

Si conoscono almeno 100 tipi diversi di peptidoglicano e la regione maggiormente variabile è il ponte peptidico. Che aminoacidi ci sono nel ponte peptidico? Sia quelli presenti nel tetrapeptide, sia la glicina, treonina, serina e acido aspartico. Alcuni non saranno mai presenti nel ponte: quelli a catena ramificata, quelli aromatici, quelli contenenti zolfo, l’istidina, l’arginina e la prolina.

Il peptidoglicano rappresenta fino al 90% del materiale di parete nei Gram-positivi. In essi l’acido teicoico  è presente in piccole quantità. Rappresenta circa il 10% della parete nei Gram-negativi

La membrana esterna

Nei Gram-negativi è spesso indicata come strato LPS (figura), cioè di lipopolisaccaride. L’LPS si associa a varie proteine a formare la metà esterna della membrana. Sul lato interno della membrana c’è un complesso lipoproteico che svolge funzioni di ancoraggio tra membrana esterna e peptidoglicano.

Un importante proprietà biologica della membrana esterna di molti batteri Gram-negativi è la sua tossicità per gli animali

La sua permeabilità: la presenza delle porine, proteine integrali transmembrana,  consente l’entrata e l’uscita di sostanze idrofiliche a basso peso molecolare. Esse sono assemblate in modo da creare un poro di circa 1 nm di diametro. La membrana esterna non è però permeabile ai protoni. Impedisce infatti che  i protoni che sono stati sospinti attraverso la membrana si allontanino dalla cellula. Lo stesso vale per alcuni enzimi che restano intrappolati nel periplasma dandogli un aspetto gelatinoso.

Che proteine troviamo nel periplasma? Enzimi idrolitici, proteine di legame che innescano i processi di trasporto di substrati, chemiocettori.

Gli acidi teicoici

Batteri Gram-positivi non hanno lo strato polisaccaridico esterno, ma sono generalmente dotati di polisaccaridi acidi associati alla parete cellulare, detti acidi teicoici (dal greco teichos, “parete”). A causa della loro carica negativa, gli acidi teicoici sono in genere responsabili della carica complessivamente negativa della superficie cellulare e possono contribuire al passaggio di ioni attraverso la parete cellulare.

Relazioni tra struttura della parete e colorazioni di Gram

Nella colorazione di Gram un complesso di cristal-violetto si forma all’interno della cellula: questo complesso viene estratto dall’alcol nei batteri Gram-negativi, ma non nei Gram-positivi che hanno una parete cellulare molto spessa.

Nei Gram-positivi infatti in presenza di alcol i pori della membrana si chiudono e impediscono al complesso insolubile di cristal-violetto iodinato di uscire.

Nei Gram-negativi invece il solvente penetra rapidamente.

È importante sottolineare però che non è la costituzione chimica , ma la struttura fisica della parete che determina la positività alla colorazione di Gram

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