Appunti di MICROBIOLOGIA

Appunti di: Silvia della Monica

Microbiologia - Lezione 1

Albero della vita dei microrganismi

Secondo la classificazione Cavalier-Smith del 2004, esistono 3 domini:

• Eubatteri procarioti
• Archeobatteri
• Eucarioti, monocellulari e pluricellulari

L'ipotesi che esistano tre gruppi evolutivi principali in seno agli organismi è confortata anche dalle sequenze di altri geni come quelli per alcune proteine di base, per alcuni RNA ribosomiali (tra cui gli rRNA 5S) e i grossi rRNA.

Archeobatteri

Vivono in ambienti estremi, in cui non sono presenti altre forme di vita:

• Termofili: possono svilupparsi a temperature molto superiori ai 100°C (biotecnologie)
• Psicrofili: vivono a temperature inferiori ai -10°C
• Acidofili: crescono in ambienti estremamente acidi
• Alcalofili: crescono in ambienti alcalini
• Alofilli: prediligono ambienti ad altissima salinità, come il Grande Lago Salato degli Stati Uniti o il Mar Morto. Alcune specie si limitano a tollerare un elevato grado di salinità, mentre altre per crescere richiedono la presenza di un ambiente con una salinità 10 volte maggiore di quella dell'acqua marina. Le colonie di alofili formano pellicole rosa il cui colore è dovuto alla presenza di un pigmento fotosintetico detto batteriorodopsina.
• Termoacidofili: necessitano di habitat molto acidi e molto caldi, condizioni solitamente proibitive per quasi tutti gli organismi. Le condizioni ottimali per questi archeobatteri sono temperature tra i 60-80 °C e valori di pH compresi tra 2 e 4. Ad esempio Sulfobolus abita nelle calde acque delle sorgenti termali sulfuree del Parco di Yellowstone, dove si procura l'energia ossidando lo zolfo presente in grandi quantità in queste sorgenti.

Eubatteri ed Archeobatteri, nonostante siano entrambi procarioti, sono diversi dal punto di vista genetico. Le profonde differenze evolutive che dividono gli eubatteri dagli archeobatteri non erano evidenti sulla base del fenotipo: si chiarirono le differenze solo dopo il confronto delle loro sequenze nucleotidiche.

Differenze tra eucarioti e procarioti

• Nucleo:
  • Eucarioti: involucro nucleare che separa il DNA dal resto della cellula
  • Procarioti: DNA libero nella cellula, in una regione definita nucleoide
• DNA:
  • Eucarioti: presentano più molecole di DNA organizzate in cromosomi
  • Procarioti: possiedono una molecola di DNA solitamente circolare e di dimensioni molto ridotte rispetto agli eucarioti
• Dimensioni:
  • Eucarioti: decine di micrometri
  • Procarioti: pochi micrometri
• Esterno:
  • Eucarioti: sono delimitati solo da una membrana costituita principalmente da fosfolipidi disposti in doppio strato.
  • Procarioti: oltre alla membrana, presentano una parete cellulare esterna, costituita per la maggior parte da peptidoglicano (formato da zuccheri e peptidi), che conferisce alla cellula forma e rigidità. Alcune cellule procariotiche hanno un'altra membrana esterna alla parete, costituita da lipopolisaccaridi e proteine.
• Interno:
  • Eucarioti: caratterizzati dalla presenza di organelli intracellulari rivestiti da membrana. I ribosomi sono di 80S (subunità 60S e 40S).
  • Procarioti: non presentano organelli intracellulari rivestiti da membrana, ad eccezione dei mesosomi, che derivano dal ripiegamento della membrana plasmatica. I ribosomi sono di 70S (subunità 50S e 30S).
• Divisione cellulare:
  • Eucarioti: si dividono per mitosi (condensazione in cromosomi DNA duplicato e separazione fuso mitotico) e meiosi (solo per la produzione di cellule germinali).
  • Procarioti: si dividono per scissione binaria (dopo aver duplicato il proprio DNA ed essersi allungate fino quasi al doppio della loro lunghezza, si dividono in due cellule figlie a seguito della formazione di un setto divisorio e una molecola di DNA rimane in ognuna delle due cellule).

Similitudini tra eucarioti e procarioti

Sebbene ci siano molte differenze, esistono molte similitudini legate al fatto che le cellule eucariotiche si sono evolute da antenati procariotici: "linguaggio genetico" identico, vie metaboliche comuni e alcune caratteristiche strutturali comuni.

Teoria endosimbiontica

Gli organismi costituiti da cellule procariote sono stati l'unica forma di vita sul nostro pianeta prima della comparsa di quelli formati da cellule eucariote. Molti biologi spiegano questo passaggio attraverso la teoria endosimbiontica. Secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi. Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi, cioè uno scambio reciproco di favori: la cellula più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali, mentre i procarioti avrebbero fornito energia. La teoria viene detta endosimbiontica appunto perché prevede una simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l'uno all'interno dell'altro.

Mitocondri: organelli cellulari deputati alla funzione energetica. Sono dotati di un proprio filamento di DNA, che viene trascritto e tradotto in modo del tutto indipendente dal DNA genomico della cellula. Deriverebbero da un batterio aerobio che si è adattato a vivere all'interno di una cellula eucariotica ancestrale anaerobia.

Oltre al DNA mitocondriale, altre indicazioni sostengono la teoria endosimbiontica:

• Il cromosoma mitocondriale è circolare, come il cromosoma batterico.
• Il mitocondrio ha una doppia membrana (esterna ed interna), che ricorda molto il sistema a doppia membrana dei batteri Gram negativi.
• I mitocondri sono dotati, sulla loro membrana esterna, di porine, proteine tipiche dei batteri.
• Eucarioti e procarioti traducono in maniera leggermente diversa alcune delle triplette di cui è composto il codice genetico. Ad esempio, ci sono alcune triplette che nel batterio sono codoni di STOP, mentre negli eucarioti codificano per un aminoacido, e viceversa. Il codice genetico dei mitocondri risulta essere più simile a quello batterico, che non a quello eucariote.
• Analisi filogenetiche hanno dimostrato che i geni mitocondriali sono più affini ai geni dei batteri.
• I mitocondri sono in grado di replicarsi in maniera indipendente, con un meccanismo che ricorda la scissione binaria batterica.

Microrganismi di interesse medico

• Eubatteri: organismi unicellulari procarioti più diffusi sul pianeta. Comprendono la maggior parte dei batteri (Streptococcus pneumoniae, Vibrio cholerae, Escherichia coli, Clostridium tetani, Treponema pallidum)
• Miceti: anche detti funghi, sono organismi eucarioti, sia unicellulari che pluricellulari, eterotrofi (Candida albicans, lieviti; Aspergillus niger, muffe)
• Protozoi: organismi unicellulari, eucarioti, eterotrofi, parassiti (Plasmodium falciparum, Trichomonas vaginalis)
• Elminti: organismi pluricellulari, eucarioti, eterotrofi, parassiti (Platelminti o vermi piatti: trematodi, cestodi; Nematodi o vermi cilindrici: Ascaris, Ossiuri Enterobius vermicularis)
• Virus: non sono organismi cellulari. Sono parassiti obbligati (Influenza virus, HIV, Ebola)
• Prioni: non sono organismi cellulari. Sono costituiti unicamente da proteine "autoreplicantesi" e che si accumulano in strutture amiloidi (agenti di diverse patologie come quella della mucca pazza: encefalopatia spongiforme bovina).

Lezione 2 - I virus

I virus sono agenti infettivi caratterizzati da:

• Dimensioni estremamente piccole
• Parassitismo intracellulare obbligato
• Organizzazione strutturale semplice non cellulare
• Presenza di un solo tipo di acido nucleico (DNA o RNA)
• Si moltiplicano per sintesi separata e successivo assemblaggio dei loro componenti

I virus si moltiplicano solo in particolari cellule ospiti (spettro d'ospite) e di conseguenza vengono suddivisi in tre classi principali: virus batterici (o batteriofagi), virus animali, virus vegetali.

Struttura

Le particelle virali (virioni) sono costituite da una o più molecole di DNA o RNA rivestite da un involucro proteico (capside). In alcuni virus il nucleocapside (acido nucleico + capside) può essere avvolto da un rivestimento membranoso (envelope o pericapside). Le dimensioni possono variare da 10 a 400 nm.

In base alle caratteristiche morfologiche è possibile individuare 4 gruppi principali:

• Virioni con capside icosaedrico
• Virioni con capside elicoidale
• Virioni dotati di envelope
• Virioni complessi

Sia i capsidi elicoidali che icosaedrici sono strutture macromolecolari costruite da una o poche subunità proteiche, dette capsomeri, ripetute un gran numero di volte. Questa strategia costruttiva ha il vantaggio di utilizzare con la massima efficienza l'informazione immagazzinata nel genoma virale. I protomeri si dispongono come i gradini di una scala a chiocciola, seguendo l'andamento elicoidale dell'acido nucleico che vi è racchiuso, formando una sorta di bastoncello la cui lunghezza dipende dalla lunghezza dell'acido nucleico.

Virus a RNA

Nella maggior parte il materiale genetico è rappresentato da un singolo filamento di RNA (ssRNA). Se la sequenza corrisponde a quella dell'mRNA virale il filamento è definito positivo (Esempi: il virus della polio, il virus del mosaico del tabacco e il virus del sarcoma di Rous sono virus con genoma a ssRNA(+)). Se la sequenza è complementare a quella dell'mRNA virale il filamento è definito negativo (Esempi: il virus della rabbia, il virus del morbillo, il virus Ebola e il virus dell'influenza sono virus con genoma a ssRNA(-)). Molti genomi a RNA risultano segmentati e ogni segmento codifica per una proteina virale.

Affinché possano essere sintetizzate le nuove proteine virali è prima necessario che siano sintetizzati nuovi messaggeri virali (mRNA):

• Nei virus a RNA+ il filamento + funge direttamente da mRNA, che codifica per la Replicasi (RNA polimerasi RNA dipendente). Questa inizialmente sintetizza RNA negativi usando come stampo il filamento positivo del genoma, e poi li usa come stampi per produrre ulteriori molecole positive che costituiranno i genomi della progenie virale.
• Nei virus a RNA- l'RNA genomico non può funzionare come mRNA, né le cellule ospiti hanno polimerasi capaci di trascrivere mRNA usando come stampo RNA. Per superare il problema questi virus portano, nel loro capside, alcune molecole di Trascrittasi (RNA pol RNA dip), che inizialmente sintetizzano RNA positivo che funge da messaggero e da questo, in seguito, producono gli RNA negativi che costituiranno il genoma della progenie virale.
• Nei virus a RNA a doppio filamento, anche in questo caso l'RNA genomico non può funzionare come RNA messaggero. Alla sintesi del messaggero provvede una Trascrittasi associata al virus e "iniettata" insieme al genoma virale. Il messaggero virale codifica per un'altra RNA pol RNA dipendente (Replicasi) che sintetizza RNA a doppio filamento per le nuove particelle virali.

Retrovirus: sono virus a singolo filamento di RNA (+), ma differiscono da tutti gli altri, perché sintetizzano i propri mRNA e replicano il proprio genoma, passando attraverso un intermedio a DNA. Sono caratteristici anche per il fatto di essere "diploidi". Infatti, nel loro capside sono presenti sempre due filamenti di RNA. Associati al genoma sono anche la Trascrittasi Inversa (DNA polimerasi RNA dipendente) e tRNA di origine virale che svolge la funzione di primer per la sintesi del DNA virale.

Ciclo replicativo di un virus eucariote

1. Il virus si lega a specifici recettori sulla membrana plasmatica della cellula ospite
2. Fusione delle membrane. L'involucro virale si fonde con la membrana plasmatica
3. Il virus è rilasciato nel citoplasma della cellula ospite
4. L'acido nucleico virale si separa dal capside
5. L'acido nucleico virale entra nel nucleo e si replica
6. L'acido nucleico virale è trascritto in mRNA
7. L'mRNA virale recluta i ribosomi cellulari per la sintesi delle proteine virali
8. Le vescicole trasportano le glicoproteine virali alla membrana plasmatica
9. Si assemblano nuovi virus che sono ricoperti dalla membrana plasmatica
10. I virus sono rilasciati dalla cellula ospite

Infezioni causate da virus

• Infezioni acute: caratterizzate da una comparsa abbastanza rapida e da una durata ridotta. Le cellule infettate generalmente vanno incontro a morte (effetto citopatico) e vengono liberati numerosi virioni. Causano inibizione della sintesi di DNA, RNA e proteine, danneggiamento dei lisosomi con liberazione di enzimi idrolitici, alterazione della membrana plasmatica per inserimento delle proteine virali (attacco del sistema immunitario), alta concentrazione delle proteine virali, rotture cromosomiche. Sono tipiche dei Picornavirus, Herpesvirus e Adenovirus.
• Infezioni persistenti o croniche: possono durare anche molti anni. I virus possono replicarsi più lentamente, senza causare una sintomatologia clinica. Sono presenti anticorpi diretti contro il virus infettante. Sono tipiche del virus dell'epatite B, il virus di Epstein-Barr e il virus del morbillo.
• Infezioni latenti: dovute a virus che, dopo una iniziale fase moltiplicativa, arrestano il proprio ciclo di sviluppo e diventano quiescenti. La fase di latenza può durare un certo periodo, dopo il quale può verificarsi una recrudescenza dell'infezione con una manifestazione spesso diversa da quella iniziale. Gli Herpesvirus e i Retrovirus (HIV) possono dare infezioni latenti. L'Herpes simplex di tipo 1 infetta in genere i bambini e rimane quiescente per anni a livello dei gangli del sistema nervoso; periodicamente può attivarsi e dare le caratteristiche lesioni erpetiche (herpes labiale). L'Herpes simplex di tipo 2 causa invece l'herpes genitale. Il virus della Varicella Zoster (herpes zoster) provoca la varicella come prima manifestazione; non viene eliminato dal sistema immunitario ma diventa quiescente nei gangli dei nervi spinali. La manifestazione ricorrente è il "fuoco di Sant'Antonio" per la riattivazione del virus a livello dei nervi intercostali.

I batteri

Unicellulari, unico cromosoma (nucleoide), parete cellulare (esterna alla membrana plasmatica), ribosomi (diversi da quelli eucariotici), divisione per scissione binaria. Dimensioni di solito dell'ordine di pochi micrometri (µm), ma possono variare da circa 0,2 µm dei micoplasmi, fino a 30 µm di alcune spirochete.

L'essere umano è considerato un superorganismo costituito da 10% cellule umane + 90% di cellule microbiche. Uomo: 10¹³ cellule, circa 30.000 geni. Flora intestinale: 10¹⁴ cellule microbiche, 1.000 specie; ~ 3000 geni specie-specifici, per un totale di 3.000.000 geni (100 volte il genoma umano). La flora intestinale rappresenta un vero e proprio organo.

Struttura dei batteri

• Cocchi: di forma sferica, disposti a formare diplococchi, streptococchi, stafilococchi, tetradi e sarcine
• Bacilli: di forma allungata, distinti in streptobacilli e coccobacilli
• Vibrioni, spirilli e spirochete

Membrana plasmatica

Barriera semipermeabile selettiva, costituita da doppio strato fosfolipidico + proteine di membrana (responsabili della comunicazione tra interno ed esterno della cellula batterica e della trasduzione di segnali esterni).

Flagelli

Strutture proteiche esterne alla cellula (lunghezza 10-20 µM): sono organi di movimento (~ 0.15 M/h) e hanno proprietà antigeniche (antigene flagellare). Per mezzo dei flagelli alcuni patogeni si muovono attraverso strati di muco o in ambienti viscosi, così che possono aderire alle cellule epiteliali (es. Helicobacter pylori) o penetrare attraverso la membrana cellulare (es. Spirochete).

Pili

Strutture proteiche esterne alla cellula con proprietà antigeniche, distinti in:

• Pili di adesione: permettono di attaccarsi alle cellule dell'ospite
• Pili sessuali: sono cavi, permettono il trasferimento di DNA tra cellule batteriche nella coniugazione: trasferimento di materiale genetico sotto forma di elementi genetici mobili (plasmidi, elementi integrativi coniugativi), che trasportano geni di resistenza ad antibiotici, a metalli pesanti, etc. e di virulenza. Il pili sessuale è molto fragile e si rompe facilmente.

Capsula

È una struttura antigenica, di natura principalmente saccaridica (glicocalice), che possiede attività antifagocitaria.

Parete batterica

La parete è uno strato uniforme denso e spesso (da 100 a 800Å), esterno alla membrana, essenziale per accrescimento e divisione cellulare. Presenta proprietà antigeniche. È costituita principalmente da peptidoglicano, struttura rigida che conferisce forma alla cellula e la protegge da danni di tipo meccanico ed osmotico.

In base alla struttura della parete i batteri si dividono in:

• Gram positivi: il peptidoglicano è disposto in molteplici strati e rappresenta il 50-90% del materiale della parete cellulare. Contiene polisaccaridi acidi associati alla parete cellulare:
  • Acido lipoteicoico: unito alla membrana citoplasmatica
  • Acido teicoico: unito solo al peptidoglicano; responsabile delle proprietà antigeniche del microrganismo. (Clostridium tetani, Clostridium botulinum, Enterococcus, Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes).
• Gram negativi: peptidoglicano sottile, composto di 1-2 strati:
  • Membrana esterna: costituita da proteine, fosfolipidi e lipopolisaccaridi ed attaccata al peptidoglicano tramite lipoproteine. Membrana esterna, lipide A (endotossina dei gram-negativi) e porine. Esiste uno spazio periplasmico fra le due membrane. Vi sono presenti enzimi idrolitici, proteine di trasporto, chemiocettori; la membrana esterna è permeabile: la presenza delle porine, proteine integrali transmembrana, consente l'entrata e l'uscita di sostanze idrofiliche a basso peso molecolare. Nel foglietto esterno della membrana esterna è presente l'LPS (lipopolisaccaride), costituito da una parte lipidica (lipide A), che è tossica e rappresenta l'endotossina dei gram-negativi.