Appunti di Microbiologia

Microbiologia

Malattie causate da virus, batteri, funghi, protozoi…

3 domini: archaea (archebatteri), bacteria (eubatteri), eukarya (eucarioti mono/pluricellulari, ovvero protozoi, chromisti, funghi, piante ed animali).

-10m10 -1mm grandezza dimensioni da atomi a eucarioti.

Il regno dei Chromista è un gruppo tassonomico di esseri viventi eucarioti unicellulari o pluricellulari, per la maggior parte fotosintetici, anche se vi sono stati inseriti anche organismi precedentemente classificati fra i "funghi inferiori", e dunque eterotrofi.

Nelle piante i cloroplasti sono situati nel citosol, mentre nei Chromista sono nel lume del loro reticolo endoplasmatico rugoso. Questa è la distinzione fra Piante e Chromista.

-10Dimensioni da atomi da eucarioti: 10 m-1mm.

Archeobatteri

Archeobatteri: vivono in condizioni estreme, nelle quali non si trovano altri esseri viventi:

• Termofili, possono svilupparsi a temperature ben superiori ai 100 °C.
• Psicrofili, vivono a temperature inferiori a -10 °C.
• Acidofili, crescono in ambienti estremamente acidi.
• 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.
• Alcalofili, crescono in ambienti alcalini.
• Alofili, vivono in habitat salini, 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.

Eubatteri ed archeobatteri sono diversi dal punto di vista genetico, in particolare nelle sequenze di rRNA, quindi le differenze sono manifestate nel genotipo e non nel fenotipo.

Procarioti ed eucarioti

Procarioti (batteri e archaea): ha il DNA libero nel citoplasma, in una regione definita nucleoide. Possiede una molecola di DNA (nucleoide) solitamente di forma circolare e di dimensioni molto ridotte rispetto agli eucarioti. Ha dimensioni che variano nell'ordine di pochi micrometri.

Oltre alla membrana plasmatica, è dotata di una parete cellulare, esterna alla membrana, costituita per la maggior parte da peptidoglicano (formato da zuccheri e peptidi), che conferisce alla cellula forma e rigidità. Alcune cellule procariotiche (batteri Gram negativi) hanno un'altra membrana esterna alla parete, costituita da lipopolisaccaridi e proteine.

Non presenta 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). Si dividono per mitosi (condensazione DNA duplicato in cromosomi e separazione con fuso mitotico) e meiosi (solo per la produzione di cellule germinali).

Eucarioti (eukarya): possiede un involucro nucleare che separa il DNA dal resto della cellula. Presenta più molecole di DNA non circolare (a parte quello dei mitocondri), il DNA è organizzato in cromosomi. La quantità di DNA nelle cellule eucariotiche infatti è superiore di diversi ordini di grandezza rispetto ai procarioti.

Ha normalmente dimensioni dell'ordine di decine di micrometri. È delimitata solamente da una membrana costituita principalmente da fosfolipidi (membrana plasmatica), disposti in doppio strato. All’interno è caratterizzata dalla presenza di organelli intracellulari rivestiti da membrana (reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, lisosomi). I ribosomi sono di 80S (subunità 60S e 40S).

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).

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, alcune caratteristiche strutturali comuni.

Mitocondri ed endosimbiosi

Mitocondri: organelli cellulari deputati alla funzione energetica negli eucarioti. 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.

Endosimbiosi = simbiosi intracellulare nella quale il batterio trova un rifugio sicuro dal mondo esterno nella cellula eucariotica, la quale sfrutta la funzione energetica che solo il batterio è in grado di svolgere, questo è un vantaggio selettivo agli eucarioti ancestrali.

Teoria endosimbiontica: 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.

Mcg di interesse medico

Mcg di interesse medico: eubatteri, miceti, elminti, protozoi, virus, prioni.

Eubatteri

Eubatteri, organismi unicellulari procarioti più diffusi sul pianeta, comprendono la maggior parte dei batteri.

Batteri: unicellulari, con un unico cromosoma, una parete cellulare, ribosomi e capacità di scissione binaria. Le dimensioni sono 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.

Le proteine di membrana sono responsabili della comunicazione tra interno ed esterno della cellula batterica e della trasduzione di segnali esterni. I fagelli sono strutture proteiche esterne alla cellula, sono organi di movimento, hanno proprietà antigeniche. Per mezzo dei flagelli alcuni patogeni si muovono attraverso strati di muco o in ambienti viscosi, così che possono aderire alle cellule epiteliali o penetrare attraverso la membrana cellulare.

I pili sono strutture proteiche esterne alla cellula con proprietà antigeniche, distinguiamo pili di adesione, che permettono di attaccarsi alle cellule dell’ospite e pili sessuali, cavi, permettono il trasferimento di DNA tra cellule batteriche nella coniugazione. La capsula è una struttura antigenica che possiede attività antifagocitaria, è di natura principalmente saccaridica nel caso del glicocalice.

In base alla parete batterica si dividono Gram-positivi, Gram-negativi, alcol-acido resistenti. La parete batterica è essenziale per accrescimento e divisione cellulare, presenta proprietà antigeniche, è costituita da peptidoglicano, una struttura rigida che conferisce forma alla cellula e la protegge da danni di tipo meccanico ed osmotico.

Associati alla parete dei gram+, più spessi, troviamo acido lipoteicoico e teicoico. La parete dei gram- è formata da peptidoglicano sottile, composto di 1-2 strati, la membrana esterna è costituita da di proteine, fosfolipidi e lipopolisaccaridi ed attaccata al peptidoglicano tramite lipoproteine. 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.

Le diverse attività del lipopolisaccaride (LPS). Questa endotossina batterica attiva quasi tutti i meccanismi della risposta immune, così come il sistema della coagulazione e tutto ciò rende il lipopolisaccaride uno dei più potenti attivatori immunitari noti. L’LPS (lipopolisaccaride) è un potente agente tossico (endotossina), ha proprietà antigenica: la catena polisaccaridica, diversa nelle differenti specie, rappresenta l’antigene somatico o antigene O.

Colorazione di Gram

Relazioni tra struttura della parete e colorazioni di Gram:

• Nella colorazione di Gram si forma, all’interno della cellula, un complesso di cristalvioletto-iodio.
• Questo complesso viene estratto dall’alcool nei batteri Gram-, ma non nei Gram+ che hanno una parete cellulare molto spessa.
• Nei Gram+, infatti, in presenza di alcool, i pori della membrana si chiudono e impediscono al complesso insolubile di cristalvioletto-iodio di uscire.
• Nei Gram- invece il solvente penetra rapidamente.

La parete dei batteri alcool-acido resistenti è un sottile strato di peptidoglicano con grande quantità di glicolipidi, detti anche cere, rendono la parete relativamente impermeabile ai composti chimici, l’impermeabilità è responsabile di crescita lenta, resistenza a molti antibiotici, e sopravvivenza intracellulare nei fagociti. Tra le proteine della parete troviamo enzimi, adesine ed invasine, proteine di resistenza al killing dei fagociti.

Spora batterica

Spora batterica (endospora): struttura ‘dormiente’ in grado di sopravvivere a lungo e di restaurare la crescita vegetativa dopo periodi di tempo anche molto lunghi (spore di resistenza). Tra i fattori scatenanti la sporulazione, cioè la formazione della spora batterica, troviamo essiccamento, esaurimento fonti di carbonio, cambiamenti di pH, aerazione, concentrazione di cationi.

Provoca vari mutamenti metabolici come demolizione di proteine, attivazione nuovi enzimi, sintesi di nuove proteine (cisteina) ed enzimi. L’endospora ha un’aumentata resistenza a calore, essiccamento, radiazioni, congelamento e composti chimici, presenta inoltre assenza di attività metabolica.

La germinazione, cioè liberazione della spora, batterica prevede varie fasi:

• Attivazione: processo reversibile; condiziona la spora a germinare in ambiente adatto.
• Germinazione: processo degradativo irreversibile: rigonfiamento, rottura e riassorbimento del mantello, diffusione dei componenti sporali, aumento attività metabolica.
• Sviluppo: sintesi strutture e proteine della forma vegetativa.
• Liberazione della spora.

Cromosoma e genoma batterico

Il cromosoma batterico presenta un DNA elicoidale circolare, superavvolto ed attaccato alla membrana citoplasmatica, replica con la divisione cellulare.

Genoma batterico: il 90% codifica per proteine ed RNA (poco DNA non codificante), è organizzato in gruppi di geni funzionalmente correlati (operon), che sono localizzati su: cromosoma ed elementi genetici accessori (plasmidi, trasposoni).

La divisione della c batterica avviene per scissione binaria, il DNA si replica all’interno della c di partenza, che subisce un allungamento, finché si origina un setto divisorio che divide la c originaria in 2 completamente identiche.

Per calcolare il valore della divisione cellulare batterica esiste l’apposita formula: Nt= Ni x 2ⁿ, dove Ni è il numero iniziale ed n il numero di duplicazioni, da moltiplicare per il tempo.

La curva di crescita batterica prevede un andamento che dalla fase di adattamento e non divisione (LAG), passa ad una crescita esponenziale, fino ad arrivare ad una fase stazionaria, dove si arresta la crescita a causa dell’esaurimento dei nutrienti e dell’accumulo di prodotti tossici, per arrivare ad una fase di declino e morte.

Fattori di patogenicità: peptidoglicano, acidi teicoici, LPS, flagelli, pili e DNA, prendono il nome di PAMP (Pathogen-Associated Molecular Pattern) e sono tutti ligandi, si legano a recettori di cellule immunitarie ed innescano la risposta immunitaria innata (febbre, infiammazione, fagocitosi).

Miceti

Miceti, anche detti funghi, sono organismi eucarioti, sia unicellulari (lieviti) che pluricellulari (muffe), eterotrofi, privi di clorofilla, forniti di parete, aerobi o anaerobi facoltativi, immobili, chemiosintetici, ubiquitari. Praticano riproduzione sessuata, asessuata e parasessuata.

Hanno struttura cellulare fungina, il nucleo contiene cromosomi multipli ed è delimitato da una membrana, al suo interno c’è il nucleolo, ricco di RNA. Sono presenti tutte le strutture citoplasmatiche proprie delle cellule animali.

Caratteristica è la presenza di una membrana nucleare che, durante il ciclo mitotico, permane dall’inizio alla fine della metafase, a differenza delle cellule animali e vegetali, dove si dissolve e si riforma dopo la segregazione dei cromosomi al loro centromeri.

Il citoplasma è racchiuso da una membrana plasmatica, costituita da glicoproteine, fosfolipidi ed ergosterolo, la cellula fungina può essere rivestita da una capsula, variamente ispessita, formata da strutture di natura muco-polisaccaridica.

Dimorfismo: i miceti possono avere forma a lievito (colonie cremose) o muffa (colonie cotonose), subiscono transizione dimorfa, regolata principalmente dalla temperatura e dalle caratteristiche nutrizionali, è in genere reversibile anche se, essendo correlata alle fasi del ciclo cellulare, non sempre può prontamente rispondere al cambiamento delle condizioni ambientali.

Nei lieviti l’intera popolazione fungina di una colonia può derivare dalla iniziale gemmazione anche di un unico lievito. Nelle muffe la colonia si origina dai tubuli germinativi che si sviluppano dalla spora tramite meccanismo di germinazione, la modalità di germinazione delle spore è un carattere geneticamente stabile e quindi utilizzabile ai fini tassonomici.

Per quello che riguarda il metabolismo i miceti possono essere aerobi facoltativi o obbligati, anaerobi facoltativi, ma mai anaerobi obbligati. I miceti sono organismi chemiosintetici, cioè richiedono sostanza organica come fonte di energia, metabolizzano i composti carboniosi con variabili gradi di efficienza, indice di differenti proprietà enzimatiche, mediate geneticamente, che vengono utilizzate come criterio di identificazione.

Parassiti

I parassiti, protozoi ed elminti distinguono vari tipi di ospite:

• Di amplificazione: specie animale che, per un cambiamento temporaneo nella dinamica di popolazione, favorisce una rapida disseminazione dell’agente.
• Serbatoio: ospite in cui un agente vive e replica spesso senza provocare la malattia, rappresenta una fonte di infezione occulta.
• Intermedio: nel quale l’agente va incontro ad uno sviluppo.
• Accidentale: un ospite che generalmente non trasmette l’infezione.
• Paratecnico: l’agente non compie alcuno sviluppo ed è trasferito meccanicamente.

Protozoi

Protozoi, organismi unicellulari, eucarioti, eterotrofi, parassiti. Sono intestinali, urogenitali, ematici, tissutali. Si distinguono vari tipo di parassiti: amebe, flagellati, sporozoa e ciliata.

Patogenesi delle parassitosi: dose infettiva ed esposizione, penetrazione attraverso le barriere anatomiche, ancoraggio, replicazione, danno cellulare e tissutale, elusione ed inattivazione delle difese dell’ospite.

Elminti

Elminti, organismi pluricellulari, eucarioti, eterotrofi, parassiti. Si distinguono:

• Platelminti trematodi: epidermide priva di ciglia vibratili e sempre di tipo sinciziale (citoplasmi delle singole cellule si fondono tra loro formando una massa citoplasmatica con più nuclei) che presenta organi adesivi in forma di ventose e, talvolta, di uncini; le ventose, strutture muscolari di forma per lo più circolare, sono un evidente adattamento all'esistenza parassitaria dell'animale; questa può svolgersi a carico degli organi interni dell'ospite, nel qual caso il ciclo vitale del trematode si sviluppa attraverso più ospiti, con diversi stadi larvali, oppure a carico della superficie esterna dell'ospite, senza presentare allora, per lo più, una generazione alternante. Sono parassiti assai dannosi per l'uomo e gli animali. I Trematodi sono in grande maggioranza ermafroditi, con i dotti maschili e i dotti femminili che sboccano in un atrio genitale comune aprentesi a sua volta all'esterno con un poro genitale. Per quanto riguarda l'anatomia, a differenza dei Cestodi, sono muniti di tubo digerente, che in genere è ramificato.
• Plat. cestodi: allo stadio adulto, vivono esclusivamente come parassiti nell'apparato digerente dei Vertebrati. Sono privi di pigmentazione cutanea e di organi di senso, il sistema nervoso è ridotto. I citoplasmi delle cellule dell'epidermide sono fusi tra loro formando una massa citoplasmatica con più nuclei (epidermide sinciziale). L'estremità anteriore, che non rappresenta un vero capo, è detta scolice e porta organi di adesione come botrie, botridi, ventose e uncini. Allo scolice segue un collo, regione germinativa che produce continuamente nuove proglottidi verso la parte posteriore. Ciascuna proglottide possiede tipicamente un intero (talvolta due) apparato riproduttivo ermafrodita. Le uova, che contengono embrioni uncinati, fuoriescono con le feci dell'ospite, talvolta insieme alle proglottidi distaccate e nella maggior parte dei casi prevedono, per il completamento del ciclo biologico, l'ingestione da parte di un ospite intermedio (tenia). I Cestodi sono privi di bocca e intestino e assorbono il nutrimento per via cutanea, mediante microvilli ed espansioni, direttamente dall'ospite.
• Nematodi.

Virus

Virus, non sono organismi cellulari, ma parassiti obbligati con un'organizzazione semplice. Dimensioni estremamente piccole, presenza di un solo tipo di acido nucleico (DNA o RNA), vegetali si moltiplicano per sintesi separata e successivo assemblaggio dei loro componenti.

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

Le particelle virali (virioni) sono costituite da una o più molecole di DNA o RNA rivestite da un involucro proteico (capside). In a