Appunti Microbiologia

Microbiologia

Cellula procariotica è più piccola e di conseguenza meno complessa di quella eucariotica.

• Dimensioni minori anche a 0.5 m fino a 4/5 µ.
• Anucleate materiale genetico nel citoplasma.
• Genoma aploide con cromosoma unico.
• Mitocondri assenti, la respirazione avviene sulla membrana.
• Parete cellulare e strutture di membrana.

Bacteria, eukarya, archea

Citoplasma, 80 di acqua, matrice composta da proteine, carboidrati e lipidi oltre a carbonio ed azoto.

Cromosoma batterico, circolare, aploide e super avvolto. È raggomitolato ma non presenta proteine istoniche, presenta però analoghi funzionali.

Ribosomi, coefficiente di sedimentazione e 70s al contrario degli 80s eucarioti che rappresenta la grandezza dei ribosomi stessi.

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica ha una struttura a doppio strato fosfolipidico, parzialmente impermeabile che quindi necessita di proteine transmembrana per regolare lo scambio con l'ambiente esterno. Permette il passaggio di piccole molecole idrofobe apolari, quindi non degli ioni e le proteine transmembrana regolano tra l'altro l'ingresso delle sostanze nutritive.

È sede della fosforilazione ossidativa, il processo di produzione dell'ATP che avviene tramite la formazione di una forza fotomotrice.

Le proteine transmembrana possono permettere il passaggio di sostanze tramite trasporto semplice o facilitato che richiede appunto ATP.

Sono presenti inoltre proteine di esportazione, le traslocasi, che sono importanti target farmacologici in quanto cruciali nell'esportazione di sostanze come le tossine botulinica e tetanica (es.).

Parete cellulare e colorazione di Gram

La parete invece è molto importante perché reagisce diversamente alla colorazione di Gram ed è diventata un fattore di classificazione batterica che vengono quindi classificati in Gram e Gram. La componente strutturale comune sia ai positivi che ai negativi è lo strato di peptidoglicano, componente che fornisce al batterio la sua tipica rigidità. La differenza è nello spessore dello strato stesso, mentre la composizione è analoga.

Colorazione di Gram, è una colorazione differenziale. Si aggiunge al campione il cristal violetto che è il primo colorante e poi sostanze fissanti. Successivamente si lava e si aggiunge un decolorante, quindi rimangono colorati solo i positivi perché i negativi si decolorano. Dopo aver lavato si aggiunge un colorante rosso che invece colorerà solo i negativi.

I batteri Gram hanno uno strato di peptidoglicano molto spesso.

I batteri Gram hanno uno strato di peptidoglicano più sottile che determina comunque la tipica rigidità strutturale e sono dotati anche di una membrana esterna con una composizione diversa rispetto a quella citoplasmatica.

LPS lipopolisaccaride. La membrana esterna è formata da uno strato interno fosfolipidico, mentre la faccia esterna ha una composizione variabile e peculiare. L, o, membrana esterna, te, in, lipoproteina di ancoraggio, peptidoglicano.

In una condizione normale la concentrazione di soluti è più alta all'interno della cellula batterica e la rigidità complessiva della parete serve ad impedire la lisi cellulare.

È importante ricordare che il batterio si trova sempre in un ambiente ipotonico e che senza parete potrebbe sopravvivere al massimo in un ambiente isotonico.

Peptidoglicano

NAM NAG Chon Chon. Il peptidoglicano è formato da una componente peptidica e una glucidica. oA a, o nàitta, H. Gli zuccheri sono l'acido N acetil muramico e l'N acetil glucosammina, ovvero NAM e NAG. NAII co. È caso caso a. Abbiamo poi 4 amminoacidi che si disporranno secondo uno schema specifico che permette il legame fra diverse subunità. c o L alanina, Ac. D glutammico, L lisina, I amminoacido 3, Ac. Mesodiaminopimelico, D alanina.

• L-alanina, lega la sua porzione amminica al gruppo carbossilico del NAM e l'altra all'acido D glutammico.
• Ac. D-glutammico, si lega alla L-alanina e al terzo amminoacido che può essere L-lisina o acido meso-diaminopimelico che hanno in comune la caratteristica di avere due terminali amminici con i quali legare la D-alanina di un'altra catena.
• D-alanina, in realtà sono due ma una si perde nella formazione del legame con il terzo amminoacido.

NAM e NAG si legano mediante legame glicosidico 1,4. B.

Nel terzo amminoacido risiede una differenza strutturale tra batteri Gram e Gram.

Nei Gram c'è un legame crociato diretto tra l'acido meso-diaminopimelico e il residuo di D-alanina di un'altra unità strutturale.

Nei Gram abbiamo la L-lisina che invece lega la D-alanina mediante un ponte costituito da glicina, quindi non è un legame diretto.

Sintesi del peptidoglicano

La sintesi del peptidoglicano inizia nel citoplasma, dove NAM e NAG si formano e avviene il legame del NAM agli amminoacidi.

Successivamente le componenti vengono trasportate fuori dalla barriera citoplasmatica da un trasportatore, il bactoprenolo.

All'esterno avvengono i legami glicosidici e peptidici che formano la struttura complessa del peptidoglicano, catalizzati dall'energia rilasciata dalla rottura del legame del dimero di D-alanina.

Zucchero bactoprenolo 2 1 amminoacido membrana parete citoplasma.

1. UDP-NAG con fosfoenolpiruvato vanno a formare UDP-NAG-piruvato che tramite una ossidoriduzione andrà a formare NAM.
2. UDP-NAM va ad incorporare i vari amminoacidi, ultimo dei quali è il dimero di alanina. Si parte dalla L alanina che dovrà cambiare conformazione nell'altro isomero.

UDP-NAM-pentapeptide, D-ala-D-ala, It, L-lys, cicloserina, D-ala, D-glu, L-ala, L-ala, UDP-NAM, fosfomicina, UDP-NAG, P-enolpiruvato, UTP, NAG-P.

Fosfomicina, analogo strutturale del fosfoenolpiruvato che compete per il substrato.

Cicloserina, blocca la conversione della L-alanina.

Questi sono i processi citoplasmatici, poi interviene il bactoprenolo per il trasporto attraverso la membrana durante il quale c'è il legame con l'UDP-NAG.

Nelle fasi di membrana e di inserimento nella parete interviene nell'assemblaggio un corredo enzimatico di proteine chiamate PBP1, PBP2, PBP3 (penicilline binding protein) che catalizzano le reazioni di transpeptidazione e transglicosidazione.

Inserimento nella parete. Vancomicina, NAG-NAM-tetrapeptide, D-ala, NAG-NAM-pentapeptide, beta-lattamici, transglicosidazione. Sono chiamate anche lattamasi perché appunto sono inibite dai beta-lattamici. Vancomicina e undecaprenil-P-P, undecaprenil-P-P-NAG-NAM-pentapeptide, bacitracina, UDPP2, UDP-NAG, undecaprenil-P-P, undecaprenil-P, NAM-pentapeptide.

Attività enzimatica delle PBP

L'attività beta lattamica è un'attività battericida indiretta, perché blocca solo la sintesi e l'inserimento del peptidoglicano.

Questo però comporta che la parete, listata dalle autolisine batteriche per l'inserimento di una nuova unità, rimanga listata e quindi comporta la lisi della cellula batterica stessa.

Nei Gram sono presenti anche proteine che servono a regolare le interazioni con l'esterno, acidi teicoici e lipoteicoici per l'ancoraggio con la membrana interna.

Nei Gram abbiamo lo spazio periplasmatico fra le due membrane che non è vuoto ma pieno di molecole, denominate fattori di virulenza, che facilitano l'ingresso nella cellula ospite, scindono macromolecole nutritive per permettere l'ingresso nella cellula batterica e sono coinvolte nei meccanismi di resistenza agli antibiotici beta-lattamasi (es.).

Membrana esterna e LPS

La membrana esterna è asimmetrica in quanto formata da fosfolipidi sul foglietto interno e lipopolisaccaride LPS su quello esterno.

LPS è formato da una zona idrofobica interna lipidica e una idrofila esterna formata da zuccheri.

La componente lipidica prende il nome di lipide A, è un'endotossina peculiare dei Gram ed ovviamente, essendo la porzione più interna, esplicherà la sua attività tossica in seguito alla lisi cellulare.

Questo si lega ad una proteina del nostro organismo e grazie a questo legame può legare i macrofagi (LPSBP) ed innescare una produzione massiccia di fattori pro infiammatori che porteranno a danni sistemici e, in alcuni casi, alla morte (es. setticemia, meningite).

Antigene O, outer core, inner core, lipide A.

Successivamente, andando verso l'esterno, abbiamo la porzione core e l'antigene O che lega gli anticorpi.

Acidi teicoici e lipoteicoici

Per quanto riguarda i Gram le componenti caratteristiche sono acidi teicoici e lipoteicoici che sono incorporati nello strato di peptidoglicano.

Gli acidi lipoteicoici mediano i processi di ancoraggio e servono a tenere il peptidoglicano ben ancorato alla membrana citoplasmatica.

Gli acidi teicoici sono dei polialcol. Sono dotati di carica negativa e rendono ancor più impermeabile la parete alle molecole idrofobiche e mediano il processo di divisione.

Capsula, pili e flagelli

Capsula può essere presente sia nei positivi che nei negativi e può essere polisaccaridica o di natura proteica.

Ha la funzione di favorire l'adesione batterica e proteggerli dalla fagocitosi, ma non è fondamentale per la sopravvivenza del batterio stesso.

I pili sessuali mediano la coniugazione tra batteri, meccanismo tramite il quale i batteri si scambiano materiale genetico di resistenza e virulenza (fattori).

I flagelli sono strutture accessorie costituite da proteine (flagelline) che conferiscono motilità cellulare al batterio e sono tipici dei batteri bacillari.

Sono formati da:

• Filamento che si muove per rotazione.
• Gancio che permette l'ancoraggio al corpo basale e al motore.
• Corpo basale fa da sostegno e si trovano qui le proteine MOT che sfruttano la forza protomotrice per generare il movimento del filamento flagellare (motore).

Spore e sporificazione

Le spore sono strutture molto resistenti nelle quali si converte il batterio quando percepisce situazioni di pericolo o un ambiente poco congeniale ai processi metabolici.

Questa è appunto una forma di quiescenza in cui non è attivo nessun processo metabolico, c'è un'elevata resistenza alla penetrazione di sostanze esterne e al calore, radiazioni ed essiccamento.

Nel core è presente una membrana interna che avvolge il DNA, al quale sono associate proteine che proteggono il genoma.

È presente anche l'acido dipicolinico che chelato con il calcio Ca-DPCA fornisce viscosità alla spora e scompare nel processo di germinazione.

Il processo di sporificazione inizia all'interno della cellula dove si forma l'endospora composta dal materiale genetico e dagli involucri, comprensivi dello strato di peptidoglicano.

L. Di conseguenza le dimensioni della spora non possono eccedere quelle del batterio di origine. Formazione setto. Formazione endospora.

L'endospora viene liberata in seguito alla lisi cellulare e alla conseguente morte dell'organismo esterno.

Serve poi un innesto per ripristinare la forma vegetativa che può essere uno stimolo termico per eliminare le spore (scaldo per riformare lo stato vegetativo e dopo un giorno scaldo ancora per eliminare il microrganismo).

Divisione cellulare e crescita batterica

La divisione cellulare, che avviene per scissione binaria, è caratterizzata da una fase di accrescimento esponenziale perché appunto da una cellula batterica ne avremo due e così via.

Durante l'accrescimento vengono prodotte le autolisine che rompono una parte di parete mentre c'è un massiccio processo di sintesi macromolecolari e di peptidoglicano.

Contemporaneamente si forma anche il setto grazie all'azione di due gruppi di proteine importanti.

• FtsZ, inizio di formazione del setto con formazione di un anello che poi chiuderà il setto.
• MreB, non presente nei cocchi, svolge la funzione del citoscheletro al di sotto della membrana.

Il DNA si deve duplicare a formare due copie identiche e ciò comporta grande dispendio di energia.

Il tempo di generazione è il tempo necessario ad una popolazione batterica per raddoppiarsi ed è molto variabile, ma ci dà indicazioni sul numero di batteri totali.

E. coli è il preso in esempio con tempi medi. nONt N x2 n t d Mycobacterium è molto lento.

La curva di crescita si può creare solo se i microrganismi vengono messi in coltura in ambiente chiuso.

Stazionaria, vive, cellule, log, morte, NLog, lag, tempo h.

C'è una fase di inizio nella quale non c'è crescita della popolazione ma solo organizzazione della popolazione batterica.

Poi inizia la crescita esponenziale della popolazione batterica.

Successivamente c'è un rallentamento con una fase stazionaria, perché appunto l'ambiente è chiuso e quindi i nutrienti sono limitati e la disponibilità di sostanze cala.

Di pari passo aumentano anche le sostanze tossiche prodotte dai batteri stessi e conduce ad una fase discendente nella quale la moltiplicazione non è più possibile e si verifica la morte cellulare.

Fattori che influenzano la crescita batterica

I fattori che influenzano la velocità della crescita batterica sono diversi.

• Temperatura, batteri psicrofili sotto lo 0, termofili sopra i 70 ed ipertermofili. I batteri commensali e patogeni dell'uomo sono i mesofili, che proliferano in un range di temperatura che va dai 25 ai 45 gradi ed hanno il picco massimo di velocità intorno ai 35/37 gradi che è la temperatura corporea.
• pH, ci sono batteri acidofili e basofili, ma i commensali e i patogeni dell'uomo sono neutrofili, perché il pH corporeo è circa neutro.
• Acqua, alofili alte concentrazioni saline, i patogeni dell'uomo sono debolmente alofili.
• Ossigeno, porta alla formazione di radicali liberi, quindi per essere aerobio un batterio deve avere nel proprio corredo degli enzimi in grado di degradare questi radicali (superossido dismutasi, catalasi, perossidasi). I patogeni dell'uomo sono aerobi/anaerobi facoltativi.

Metabolismo e processi energetici

Metabolismo, costruzione di macromolecole, richiede ATP.

Catabolismo, distruzione di composti che genera ATP.

Fermentazione, processo alternativo alla respirazione che in assenza di O genera ATP dal piruvato. 2.

Fosforilazione substrato, il substrato si degrada e genera energia sotto forma di ATP.

Fosforilazione ossidativa, avviene la respirazione cellulare a cavallo della membrana citoplasmatica, che però necessita di ossigeno o di un altro accettore di elettroni.

I patogeni dell'uomo fanno entrambe.

Sintesi molecolare

I processi di sintesi molecolare comprendono una serie di processi concatenati che partono dal materiale genetico della cellula batterica.

• Replicazione.
• Trascrizione (produce mRNA).
• Traduzione (produce proteine).

Il genoma è l'insieme di tutti i geni, mentre l'operone è la sequenza di genoma che contiene le informazioni per la sintesi di enzimi coinvolti in un unico processo.

Plasmidi, materiale genetico extracromosomico tipico dei procarioti che non contiene informazioni necessarie ma utili e può, di conseguenza, non essere replicato.

Può contenere informazioni di resistenza che possono essere trasmesse ad altri batteri con la coniugazione.

Il gene codifica per un tratto di RNA che codifica per una proteina.

Ogni proteina è formata da amminoacidi ed ogni amminoacido è codificato da una sequenza di 3 basi azotate.

Il promotore è una sequenza che regola la trascrizione della sequenza di nucleotidi.

Replicazione del DNA

Per la replicazione del DNA serve innanzitutto separarsi in due DNA sempre circolari, a partire da una sequenza di inizio detta OriC.

Nel caso dell'RNA a polarità positiva (retrovirus) si passerà a DNA e poi nuovamente ad RNA e proteine.

Il processo comprende la formazione della catena complementare mediante l'opposizione di nucleotidi.

La replicazione procede in maniera continua nel verso di lettura, ovvero 5'-3' (leading), e in maniera frammentata nel senso opposto, ovvero 3'-5' (lagging).

La crescita della catena può essere ulteriormente velocizzata iniziando la duplicazione nelle due molecole di DNA mentre quest'ultimo si stanno ancora formando.

• Topoisomerasi, tagli che permettono l'allenamento degli avvolgimenti del DNA superavvolto.
• Polimerasi I, rimozione degli inneschi, aggiunta dei nucleotidi nel verso lagging dove si formano i frammenti di Okazaki.
• Polimerasi III, replicazione del DNA.

Trascrizione, traduzione e regolazione

Per quanto riguarda i procarioti non è presente un meccanismo di correzione delle bozze, quindi si formerà un solo mRNA (policistrionici) che quindi codificherà per più proteine e dal quale non verranno rimosse le sequenze introniche.

Questo processo è quindi molto più veloce e prevede meno sforzo energetico e l'mRNA è tradotto contemporaneamente alla trascrizione (non c'è nucleo).

Complesso di inizio batterico è formil-metionina. Metionina, lisina, serina, VA, LIN A, alanina, ribosoma, A, alanina, INOL, PR, glicina, alanina, tRNA, anticodone, mRNA.

L'espressione di alcune delle proteine può essere regolata da sistemi che possono essere inducibili o reprimibili.

Di solito è presente un sistema che blocca la trascrizione (repressore) e un fattore (induttore) che rimuove questo blocco.

È un esempio l'operone lac.

Per quanto riguarda il controllo